РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ФАЗОМЕТРА НА ОСНОВЕ МЕТОДА РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

На сегодняшний день в отраслях человеческой деятельности, связанных с радиотехническими измерениями, а именно в локации, навигации, геофизике, радиодальномерии и радиоастраномии, существует потребность в измерении разности фаз электрических сигналов. В условиях повышения скорости работы, объёма вычислительных возможностей и появления новых стандартов передачи данных в цифровом виде, разработка измерителей угла сдвига фаз на основе наиболее быстрых, но при этом точных цифровых методов, не теряет своей актуальности. Параметрический метод реального времени оценивания разности фаз [3] позволяет добиться большей точности измерений при большей зашумленности сигналов, однако его применение ограничивает некоторые параметры используемых сигналов.

Метод, описанный в работе [3], позволяет оценивать разность фаз между двумя квазигармоническими сигналами с медленно меняющейся амплитудой и фазой:

, ,                                  (1)

которые должны соответствовать следующим физически обоснованным условиям:

• ограниченность амплитуды, мгновенной частоты и всех производных сигналов

         (2)

где максимум частоты фазового спектра и амплитудного спектра обозначены как ω_Ф и ω_А.

• амплитуда и мгновенная частота медленно изменяется в течение всего времени измерений

.                                              (3)

Если данные ограничения выполняются, оценка разности фаз для продискретизированной аддитивной смеси данных сигналов с гауссовым шумом с нулевым средним с шагом дискретизации ∆t ≤ π / (2ω_M) будет иметь вид:

                  (4)

где последовательности перекрестных произведений отсчетов сигналов представлены в виде:

                             (5)

и комбинированы в соответствии с:

                        (29)

а флуктуационная составляющая, осциллирующая на частоте ω со средним значением в интервале T = M∆t >> 2π/ω близка к нулю.

Среднеквадратичное отклонение оценки разности фаз данным методом можно оценить исходя из следующего соотношения:

.                                             (6)

Программно-аппаратный комплекс разработанного фазометра, упрощенная схема которого показана на рис. 1, состоит из двухканального шестнадцатибитного АЦП модели AD9269 фирмы Analog Devices Inc. с максимальной частотой дискретизации до 20 MSPS и встроенной системой выборки-хранения, микропроцессора CYUSB3014 в составе отладочной платы CYUSB3KIT-001, который обеспечивает передачу данных на персональный компьютер по интерфейсу USB3.0, и программы для персонального компьютера, написанной на языке C++, входящим в состав пакета разработки приложений Microsoft Visual Studio 10.0 фирмы Microsoft Co. Микропроцессор CYUSB3014 содержит параллельный 32-х разрядный порт ввода-вывода, поддерживающий частоту передачи до 100 МГц, и 512 килобайт внутренней оперативной памяти.  Тактирование АЦП производится от внешнего генератора с максимальной частотой тактового сигнала до 20 МГц. АЦП имеет широкополосную систему выборки-хранения, что позволяет обрабатывать входные сигналы с амплитудой от десятков милливольт и частотой до 2 ГГц. В экспериментах по исследованию разработанного фазометра тактирование производилось от внешнего генератора с двойным термостатированием модели ГК89А-ТС компании ОАО «Морион» с сигналом 10 МГц.

Для исследования характеристик оценки разности фаз на оба канала АЦП был подан сигнал с частотой 1001 МГц с высокочастотного генератора модели N5181A фирмы Keysight Technologies. Таким образом каждый следующий отсчет оцифрованного сигнала АЦП получает через сто периодов реального аналогового сигнала.

Рисунок 1. Структурная схема фазометра

График СКО Аллана [1] для разработанного фазометра, представленный на рис. 2, показывает, что СКО оценки разности фаз составляет порядка 200 мкрад, что примерно соответствует значениям, полученным при численном моделировании для классического метода ортогональной обработки [2], однако количество операций, необходимых для ортогонального метода не позволяет реализовать его в системах работающих в реальном масштабе времени, что позволяет судить о перспективности применения метода реального времени оценивания разности фаз для проектирования измерительной аппаратуры, в частности малобазовых радиоинтерферометров.

В дальнейших исследованиях будет организована система предусилителей, что позволит существенно уменьшить порог чувствительности к входным сигналам, а также система термокомпенсации предусилителей и каналов АЦП, что позволит увеличить точность измерений.

Рисунок 2. СКО Аллана для разработанного фазометра

Список литературы:

1. Allan D. W., Shoaf J. H., Halford D. Statistics of Time and Frequency Data Analysis, NBS Monograph 140, pages 151–204, 1974.
2. Ignat’ev V. K., Orlov A. A., Stankevich D. A. A Phase Method of Comparison of the Instantaneous Values of the Frequencies of Quasi-Harmonic Signals // Measurement Techniques, 2016. doi: 10.1007/s11018-016-1042-x
3. Ignatjev V. K., Stankevich D. A. A Fast Estimation Method for the Phase Difference Between Two Quasi-harmonic Signals for Real-Time Systems // Syst Signal Process, 2017. doi:10.1007/s00034-016-0484-3