19 ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННОГО ДАЛЬНОМЕРА - Страница 4

3. Способ “сшивки” фазы сигнала разностной частоты

3.1. Алгоритм работы и структурная схема дальномера

 

Периодичность закона модуляции зондирующего ЧМ сигнала приводит к тому, что СРЧ принимает вид фазоманипулированного сигнала, в котором скачки фазы происходят на границах полупериодов модуляции. Величина скачка фазы зависит от измеряемого расстояния и при изменении этого расстояния периодически изменяется в пределах от 00 до 1800 с периодом по расстоянию, равным половине длины волны несущего колебания. Такое свойство СРЧ ограничивает время измерения разностной частоты одним полупериодом модуляции . Кроме того, оно  не позволяет производить узкополосную фильтрацию СРЧ, необходимую для улучшения соотношения сигнал/шум, т.к. при больших значениях скачка фазы узкополосная фильтрация приведёт к паразитной амплитудной модуляции СРЧ. После скачка фазы  амплитуда СРЧ может уменьшиться вплоть до нуля (при скачке фазы 1800), и в результате в эти интервалы времени соотношение сигнал/шум наоборот понизится.

Избавиться от этого явления можно на основе анализа вектора параметров СРЧ, в частности, управляя моментом окончания текущего полупериода модуляции таким образом, чтобы он совпал с одним из экстремумов СРЧ [16]. Прерывать полупериод модуляции необходимо после того, как его длительность превысила заданное минимальное значение, т.е. логическая функция  управления напряжением модуляции имеет вид:

,

при ограничении ,

где: - текущее время; - период СРЧ; - целое число, величина которого зависит от измеряемого расстояния; - номер текущего периода модуляции.

Здесь  соответствует повышению напряжения модуляции по линейному закону и  - снижению, а начало отсчёта времени выбрано в точке, совпадающей с одним из экстремумов СРЧ.

Выявление моментов экстремумов СРЧ достаточно просто осуществляется с помощью дифференцирующих схем.

В результате в СРЧ исчезнут скачки фазы, и он примет вид непрерывной синусоиды. Это явление можно назвать “сшивкой” фазы СРЧ. Следовательно, появляется возможность узкополосной фильтрации с целью улучшения отношения сигнал/шум и увеличения интервала анализа сигнала при измерении разностной частоты до величины, обеспечивающей допустимое значение ошибки измерения. Однако при этом период модуляции  и величина диапазона перестройки частоты  перестают быть постоянными величинами и зависят от измеряемого расстояния. Эти параметры входят в расчётную формулу (1.5) для расстояния.

Изменение расстояния [16] приводит к периодическому плавному увеличению (или уменьшению)    и  от их минимальных (максимальных) значений до максимальных (минимальных). Затем в точке, где длительность полупериода модуляции изменится на величину длительности одного полупериода СРЧ, происходит скачкообразное возвращение к прежним значениям. Текущее значение периода модуляции, необходимое для коррекции результата расчёта, можно достаточно просто измерить, а прямое измерение текущего значения диапазона перестройки частоты передатчика осуществить технически сложно.

В простых и недорогих измерителях выход из этой ситуации заключается в дополнительном анализе вектора параметров зондирующего сигнала. В частности, можно ограничивать снизу диапазон перестройки частоты передатчика некоторой минимально допустимой величиной . Для этого необходимо контролировать граничные частоты диапазона перестройки частоты  зондирующего сигнала с помощью некоторых эталонных частот  и , задаваемых каким-либо простым способом. Например, с помощью диэлектрических резонаторов [17]. Разрешать “сшивку” фазы СРЧ можно только после достижения частотой зондирующего сигнала одного из указанных значений [18], т.е. логическая функция  управления напряжением модуляции принимает вид:

.                (3.1)

Зависимость изменения частоты зондирующего сигнала, график СРЧ  в режиме “сшивки” фазы и логическая функция  управления напряжением модуляции показаны на рис.3.1, а, рис. 3.1, б и  рис. 3.1, в соответственно.

 

 

Рис. 3.1. Зависимость частоты зондирующего сигнала,

СРЧ и логической функции управления от времени

 

Причём можно обеспечить стабильность средней крутизны изменения частоты зондирующего сигнала на интервале между эталонными частотами , где  - рабочий интервал, т.е. интервал времени моментами  и  совпадения текущей частоты передатчика  соответственно с  и .   Учитывая, что эти частоты стабилизированы, достаточно поддерживать постоянным рабочий интервал времени . Для этого необходимо  сравнивать его с заданной эталонной величиной  и использовать результат сравнения для управления амплитудой модулирующего воздействия . При этом производится дискретное регулирование, т.к. измерение длительности  выполняется в течение одного полупериода модуляции, а сравнение её с эталонным значением  и соответствующее изменение амплитуды модулирующего напряжения - в конце этого измерительного полупериода. Полученное значение амплитуды остаётся постоянным в течение всего следующего периода до выполнения очередной коррекции модулирующего напряжения. Аналитически это можно записать в виде:

,                                     (3.2)

где индекс - соответствует номеру текущего периода, а  - коэффициент, определяющий чувствительность амплитуды модулирующего напряжения к отклонению длительности контролируемого интервала времени от заданного значения.

Формула (1.5) для расчёта измеряемого расстояния в предположении, что за время одного полупериода модуляции  не может существенно измениться, принимает вид:

.                                                        (3.3)

Устройство, реализующее эту  процедуру,  имеет достаточно простую структуру [18].  Упрощенная структурная схема дальномера показана на рис.3.2 .

Формирователь модулирующего напряжения (ФМН) вырабатывает напряжение  симметричной треугольной формы. Оно поступает на модулирующий вход приёмо-передающего модуля СВЧ (ППМ СВЧ) и обеспечивает формирование зондирующего сигнала с частотной модуляцией. Основная часть этого сигнала с СВЧ выхода ППМ через направленный ответвитель (НО) поступает в передающую антенну (А) и    излучается в направлении зондируемого объекта. Другая часть сигнала выделяется в НО и поступает на формирователь частотных меток (ФЧМ). На двух выходах ФЧМ в моменты совпадения частоты зондирующего сигнала с одной из эталонных частот формируются импульсные сигналы.

 

 

Рис. 3.2 Упрощенная структурная  схема ЧМ дальномера

со сшивкой фазы

 

Отражённый от объекта сигнал поступает через приёмную антенну (А) на приёмный вход ППМ СВЧ. После взаимодействия с опорным сигналом на информационном выходе ППМ СВЧ вырабатывается СРЧ. Он поступает на схему предварительной аналоговой обработки (СПАО), где выполняются стандартные операции автоматической регулировки усиления и узкополосной фильтрации с помощью следящего фильтра. Кроме того, в СПАО формируются импульсные сигналы в моменты пересечения СРЧ с нулевым уровнем и в моменты достижения им экстремумов. Эти сигналы и сигналы частотных меток с выхода ФЧМ поступают на соответствующие входы вычислительного устройства (ВУ), выполненного на основе микропроцессора. ВУ формирует логическую функцию управления  напряжением модуляции по выражению (3.3) и сигнал регулирования амплитуды модулирующего напряжения, который через интегратор (И) поступает на регулирующий вход ФМН. Функция  поступает на управляющий вход ФМН для управления моментом окончания текущего полупериода модуляции. Сигналы, соответствующие нулям СРЧ, используются ВУ для подсчёта разностной частоты и вычисления измеряемого расстояния.

На схеме для излучения и приёма сигналов используются две антенны, однако можно использовать и одну, с соответствующими изменениями схемы.

 

3.2. Методическая погрешность

 

Методическая погрешность включает в себя две компоненты:

Погрешность измерения, зависящая от метода измерения частоты. В случае измерения разностной частоты счетным методом эта погрешность возникает за счёт дискретности результата счёта:

,

где  - оператор вычисления целой части числа ; - длительность измерительного интервала времени.

Видно, что дискретная ошибка в данном случае равна:

,                                            (3.4)

т.е. уменьшается в  раз, а абсолютная погрешность:

.

Погрешность, вызванная “затягиванием” периода сигнала  в каждой точке “сшивания” фазы, возникает из-за того, что после перехода модулирующего напряжения с прямого хода на обратный (и наоборот) разностная частота проходит через нулевое значение. В рассматриваемом методе это происходит в точке, расположенной вблизи экстремума. Схематично этот факт в заведомо искаженном масштабе изображен на рис. 3.3.

Из рисунка видно, что за счет затягивания формы сигнала  происходит удлинение одного периода на величину задержки отражённого сигнала  в каждой точке “сшивания”. В результате на интервале  при счетном методе измерения  число уложившихся периодов  будет меньше. Это приводит к ошибке и эквивалентно как бы измерению вместо  частоты , где . Тогда ошибка измерения:

.

 

 

Рис. 3.3. Затягивание периода СРЧ в точках “сшивания” фаз

 

Указанный эффект проявляется при больших значениях  (более 15¸20 м), причём абсолютная величина ошибки возрастает по квадратичному закону.

Методическая ошибка равна сумме этих величин

.

 



 
Ф Шилер Г Гете Ф Шлегели. раствора До того как укладка плитки. сайт дц - вся свежая информация