цифровое устройство для измерения транспортного запаздывания сигнала в технологии и технике связи

Формула изобретения

Цифровое устройство для измерения транспортного запаздывания сигнала в технологии и технике связи, содержащее генератор гармонических сигналов эталонной опорной частоты, формирователь импульсов синхронизации, счетчик, генератор прямоугольных импульсов, цифровой блок регулирования фазы синхронизации, выход которого соединен с входом задания фазы генератора прямоугольных импульсов, выход которого через ключ подключен к сигнальному информационному входу квадратурного демодулятора, первый выход генератора гармонических сигналов опорной частоты соединен с первым синфазным входом квадратурного демодулятора и формирователем импульсов, соединенным с входом счетчика, при этом второй выход генератора гармонических сигналов опорной частоты соединен со вторым входом квадратурного демодулятора, информационные входы первого и второго буферных регистров являются измерительными входами для подключения к выходам соответственно первого и второго АЦП, первый и второй цифровые БИХ-фильтры подключены к выходам первого и второго буферных регистров соответственно, входы первого и второго мультиплексоров подключены к первому, второму и третьему выходам соответствующих цифровых БИХ-фильтров, первый управляющий выход микропроцессорного комплекта соединен с входом сброса в начальное состояние цифрового блока регулирования фазы синхронизации, второй вход которого подключен к второму управляющему выходу микропроцессорного комплекта, выход формирователя импульсов соединен с входом синхронизации микропроцессорного комплекта, выход общей синхронизации которого соединен с соответствующими входами синхронизации буферных регистров, БИХ-фильтров, мультиплексоров и арифметических сумматоров-вычитателей, третий, четвертый и пятый управляющие выходы микропроцессорного комплекта соединены с корректирующими входами первого цифрового БИХ-фильтра, шестой, седьмой и восьмой управляющие выходы микропроцессорного комплекта соединены с соответствующими корректирующими входами второго цифрового БИХ-фильтра, девятый управляющий выход микропроцессорного комплекта подключен к управляющему входу блока индикации, отличающееся тем, что в него введены цифроаналоговый генератор сигналов тональных частот, первый вход которого соединен со вторым выходом ключа, второй - с первым управляющим выходом микропроцессорного комплекта, а третий вход - со вторым управляющим выходом микропроцессорного комплекта, третий мультиплексор, два входа которого соединены с выходами квадратурного демодулятора, а два других - с выходами цифроаналогового генератора сигналов тональных частот, первый выход третьего мультиплексора подключен к входу исследуемого канала связи и к входу первого АЦП, а второй выход - к входу второго АЦП, к выходу исследуемого канала связи подключена последовательная цепь из третьего АЦП, третьего буферного регистра, третьего цифрового БИХ-фильтра, корректирующие входы которого соединены с десятым, одиннадцатым и двенадцатым управляющими выходами микропроцессорного комплекта, и четвертого мультиплексора, три входа которого присоединены к трем соответствующим выходам третьего цифрового БИХ-фильтра, а девять выходов первого, второго и четвертого мультиплексоров попарно подключены на соответствующие входы шести арифметических сумматоров-вычитателей, выход первого арифметического сумматора-вычитателя соединен с первым входом первого арифметического блока умножения с накоплением, выход второго арифметического сумматора-вычитателя соединен со вторым входом первого арифметического блока умножения с накоплением, первым и вторым входами второго арифметического блока умножения с накоплением и первым входом третьего арифметического блока умножения с накоплением, выход третьего арифметического сумматора-вычитателя соединен со вторым входом третьего арифметического блока умножения с накоплением, выход четвертого арифметического сумматора-вычитателя соединен с первым входом четвертого арифметического блока умножения с накоплением, выход пятого арифметического сумматора-вычитателя соединен со вторым входом четвертого арифметического блока умножения с накоплением, первым и вторым входами пятого арифметического блока умножения с накоплением и первым входом шестого арифметического блока умножения с накоплением, а выход шестого арифметического сумматора-вычитателя соединен со вторым входом шестого арифметического блока умножения с накоплением, выходы первого, второго и третьего арифметических блоков умножения с накоплением соединены с соответствующими входами пятого мультиплексора, выход которого соединен с первым информационным входом микропроцессорного комплекта, а выходы четвертого, пятого и шестого арифметических блоков умножения с накоплением подключены соответственно к входам шестого мультиплексора, выход которого соединен со вторым информационным входом микропроцессорного комплекта, причем выход общей синхронизации микропроцессорного комплекта соединен с соответствующими входами синхронизации всех мультиплексоров, цифровых БИХ-фильтров, арифметических сумматоров-вычитателей, арифметических блоков умножения с накоплением.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике связи, например технологии и практике измерений в коммутируемых каналах сетей передачи информации.

Многочастотный широкополосный сигнал, проходя по коммутируемым каналам связи, искажается, так как различные частотные составляющие запаздывают на разное время. Существенным недостатком известных схем цифровых фазометров [1. Метрология, стандартизация и измерения в технике связи. Под редакцией Б.П. Хромого. Москва, Радио и связь, 1986 г.] является большое время измерения, зависящее от частоты исследуемого сигнала, переходного процесса тестируемого канала связи и ограниченная точность при наличии индустриальных помех.

Известно устройство [2. Авт. свид-во СССР №1609328 (НП), G 06 G 7/19, G 01 R 25/00, опубл. 23.12.1988 г.], которое определяет сдвиг по фазе двух гармонических сигналов, например сигналов тональной частоты в телефонии с произвольным шагом дискретизации и частотой. Повышение точности измерения фазовых характеристик сложных, в общем случае нелинейных компонентов техники связи достигается тем, что нет необходимости масштабировать шаг дискретизации сигналов на выходе двух аналого-цифровых преобразователей (АЦП), определять угловую частоту исследуемых гармонических сигналов. Точность измерения сдвига фаз повышается за счет исключения арифметических блоков вычисления и запоминания синусов, косинусов и масштабирования, а также соответствующим выбором интервала измерения, который может быть адаптивным, что повышает помехоустойчивость. К недостаткам подобного устройства можно отнести ограничения на форму тест-сигнала. Кроме того, его нельзя применить при других видах модуляции.

Наиболее близко к предлагаемому устройство для адаптивной коррекции параметров динамических характеристик сложных нелинейных и нестационарных радиотехнических систем, содержащих радиокомпоненты как с аналоговыми, так и с цифровыми сигналами [3. Пат. России №2187140, G 05 B 13/00, H 03 D 3/02, опубл. 10.08.2002 г.], содержащее генератор гармонических сигналов эталонной опорной частоты, формирователь импульсов синхронизации, счетчик, генератор прямоугольных импульсов, цифровой блок регулирования фазы синхронизации, выход которого соединен с входом задания фазы генератора прямоугольных импульсов, выход которого через ключ подключен к сигнальному информационному входу квадратурного демодулятора, первый выход генератора гармонических сигналов опорной частоты соединен с первым синфазным входом квадратурного демодулятора и формирователем импульсов, соединенным с входом счетчика, при этом второй выход генератора гармонических сигналов опорной частоты соединен со вторым входом квадратурного демодулятора, информационные входы первого и второго буферных регистров являются измерительными входами для подключения к выходам соответственно первого и второго АЦП, первый и второй цифровые БИХ-фильтры подключены к выходам первого и второго буферных регистров соответственно, входы первого и второго мультиплексора подключены к первому, второму и третьему выходам соответствующих цифровых БИХ-фильтров, а выходы первого и второго мультиплексора - к входам арифметических сумматоров-вычитателей, первый управляющий выход микропроцессорного комплекта соединен с входом сброса в начальное состояние цифрового блока регулирования фазы синхронизации, второй вход которого подключен к второму управляющему выходу микропроцессорного комплекта, выход формирователя импульсов соединен с входом синхронизации микропроцессорного комплекта, выход общей синхронизации которого соединен с соответствующими входами синхронизации буферных регистров, БИХ-фильтров, мультиплексоров и арифметических сумматоров-вычитателей, третий, четвертый и пятый управляющие выходы микропроцессорного комплекта соединены с корректирующими входами первого цифрового БИХ-фильтра, шестой, седьмой и восьмой управляющие выходы микропроцессорного комплекта соединены с соответствующими корректирующими входами второго цифрового БИХ-фильтра, девятый управляющий выход микропроцессорного комплекта подключен к управляющему входу блока индикации.

К недостаткам этого устройства можно отнести случайную погрешность измерения транспортного запаздывания e^- T^S сигналов на ограниченном интервале наблюдения, например, в оперативном режиме диагностики и наладки сложных радиотехнических комплексов, в режиме нормальной эксплуатации при воздействии индустриальных помех общего вида, в том числе импульсных; нестационарных на интервале наблюдения и т.д. Эта погрешность в известном устройстве, выбранном в качестве прототипа, уменьшается оптимальным выбором и коррекцией цифровых БИХ-фильтров, однако при уменьшении отношения полезный сигнал / шум становится заметной для инженерной практики.

Настоящее изобретение направлено на повышение точности измерения транспортного запаздывания сигналов в технологии и технике связи. Технический результат, достигаемый при решении этой задачи, состоит в полной компенсации случайной погрешности измерения знака и величины ± _T ^*, например, для сигналов тональных частот, а также сигналов с другими видами модуляции, например ИКМ.

Это достигается тем, что в известное устройство, содержащее генератор гармонических сигналов эталонной опорной частоты, формирователь импульсов синхронизации, счетчик, генератор прямоугольных импульсов, цифровой блок регулирования фазы синхронизации, выход которого соединен с входом задания фазы генератора прямоугольных импульсов, выход которого через ключ подключен к сигнальному информационному входу квадратурного демодулятора, первый выход генератора гармонических сигналов опорной частоты соединен с первым синфазным входом квадратурного демодулятора и формирователем импульсов, соединенным с входом счетчика, при этом второй выход генератора гармонических сигналов опорной частоты соединен со вторым входом квадратурного демодулятора, информационные входы первого и второго буферных регистров являются измерительными входами для подключения к выходам соответственно первого и второго АЦП, первый и второй цифровые БИХ-фильтры подключены к выходам первого и второго буферных регистров соответственно, входы первого и второго мультиплексора подключены к первому, второму и третьему выходам соответствующих цифровых БИХ-фильтров, а выходы первого и второго мультиплексора - к входам арифметических сумматоров-вычитателей, первый управляющий выход микропроцессорного комплекта соединен с входом сброса в начальное состояние цифрового блока регулирования фазы синхронизации, второй вход которого подключен к второму управляющему выходу микропроцессорного комплекта, выход формирователя импульсов соединен с входом синхронизации микропроцессорного комплекта, выход общей синхронизации которого соединен с соответствующими входами синхронизации буферных регистров, БИХ-фильтров, мультиплексоров и арифметических сумматоров-вычитателей, третий, четвертый и пятый управляющие выходы микропроцессорного комплекта соединены с корректирующими входами первого цифрового БИХ-фильтра, шестой, седьмой и восьмой управляющие выходы микропроцессорного комплекта соединены с соответствующими корректирующими входами второго цифрового БИХ-фильтра, девятый управляющий выход микропроцессорного комплекта подключен к управляющему входу блока индикации, введены цифроаналоговый генератор сигналов тональных частот, первый вход которого соединен со вторым выходом ключа, второй с первым управляющим выходом микропроцессорного комплекта, а третий вход - со вторым управляющим выходом микропроцессорного комплекта, третий мультиплексор, два входа которого соединены с выходами квадратурного демодулятора, а два других - с выходами цифроаналогового генератора сигналов тональных частот, первый выход третьего мультиплексора подключен к входу исследуемого канала связи и к входу первого АЦП, а второй выход - к входу второго АЦП, к выходу исследуемого канала связи подключена последовательная цепь из третьего АЦП, третьего буферного регистра, третьего цифрового БИХ-фильтра, корректирующие входы которого соединены с десятым, одиннадцатым и двенадцатым управляющими выходами микропроцессорного комплекта, и четвертого мультиплексора, три входа которого присоединены к трем соответствующим выходам третьего цифрового БИХ-фильтра, а девять выходов второго, третьего и четвертого мультиплексора попарно подключены на соответствующие входы шести арифметических сумматоров-вычитателей, выход первого арифметического сумматора-вычитателя соединен с первым входом первого арифметического блока умножения с накоплением, выход второго арифметического сумматора-вычитателя соединен со вторым входом первого арифметического блока умножения с накоплением, первым и вторым входами второго арифметического блока умножения с накоплением и первым входом третьего арифметического блока умножения с накоплением, выход третьего арифметического сумматора-вычитателя соединен со вторым входом третьего арифметического блока умножения с накоплением, выход четвертого арифметического сумматора-вычитателя соединен с первым входом четвертого арифметического блока умножения с накоплением, выход пятого арифметического сумматора-вычитателя соединен со вторым входом четвертого арифметического блока умножения с накоплением, первым и вторым входами пятого арифметического блока умножения с накоплением и первым входом шестого арифметического блока умножения с накоплением, а выход шестого арифметического сумматора-вычитателя соединен со вторым входом шестого арифметического блока умножения с накоплением, выходы первого, второго и третьего арифметических блоков умножения с накоплением соединены с соответствующими входами пятого мультиплексора, выход которого соединен с первым информационным входом микропроцессорного комплекта, а выходы четвертого, пятого и шестого арифметических блоков умножения с накоплением подключены соответственно к входам шестого мультиплексора, выход которого соединен со вторым информационным входом микропроцессорного комплекта, причем выход общей синхронизации микропроцессорного комплекта соединен с соответствующими входами синхронизации всех мультиплексоров, цифровых БИХ-фильтров, арифметических сумматоров-вычитателей, арифметических блоков умножения с накоплением, а вход и выход исследуемого канала связи являются входом и выходом устройства.

На чертеже представлена структурная схема устройства.

Цифровое устройство для измерения транспортного запаздывания сигнала содержит генератор 1 гармонических сигналов (термостабилизированный, кварцевый, опорной частоты, сдвинутых на 90° (эталонный генератор), формирователь импульсов синхронизации 2, счетчик 3, генератор прямоугольных импульсов 4, ключ 5, блок квадратурного демодулятора 6, цифровой блок 7 регулирования фазы синхронизации, два аналого-цифровых преобразователя (АЦП) 8, 9, первый и второй буферные регистры 10, 11, информационные входы которых являются измерительными входами для подключения соответствующих выходов АЦП, первый и второй мультиплексоры 12 и 13 с временным разделением коммутируемых каналов, первый и второй цифровые БИХ-фильтры 14 и 15, первый и второй арифметические сумматоры-вычитатели 16, 17, подключенные первыми входами на первый и второй выход мультиплексора 12 соответственно, цифроаналоговый генератор 18 сигналов тональных частот, первый вход которого соединен со вторым выходом ключа 5, третий мультиплексор 19, два входа которого соединены с выходами квадратурного демодулятора 6, а два других - с выходами цифроаналогового генератора 18 сигналов тональных частот, первый выход третьего мультиплексора 19 подключен к входу исследуемого канала связи 20 и к входу первого АЦП 8, а второй выход - к входу второго АЦП 9, к выходу исследуемого канала связи 20 подключена последовательная цепь из третьего АЦП 21, третьего буферного регистра 22, третьего цифрового БИХ-фильтра 23 и четвертого мультиплексора 24, три входа которого присоединены к трем соответствующим выходам третьего цифрового БИХ-фильтра 23, а девять выходов второго, третьего и четвертого мультиплексора 12, 13, 24 попарно подключены на соответствующие входы шести арифметических сумматоров-вычитателей 16, 17, 25, 26, 27, 28, выход первого арифметического сумматора-вычитателя 16 соединен с первым входом первого арифметического блока умножения с накоплением 29, выход второго арифметического сумматора-вычитателя 17 соединен со вторым входом первого арифметического блока умножения с накоплением 29, первым и вторым входами второго арифметического блока умножения с накоплением 30 и первым входом третьего арифметического блока умножения с накоплением 31, выход третьего арифметического сумматора-вычитателя 25 соединен со вторым входом третьего арифметического блока умножения с накоплением 31, выход четвертого арифметического сумматора-вычитателя 26 соединен с первым входом четвертого арифметического блока умножения с накоплением 32, выход пятого арифметического сумматора-вычитателя 27 соединен со вторым входом четвертого арифметического блока умножения с накоплением 32, первым и вторым входами пятого арифметического блока умножения с накоплением 33 и первым входом шестого арифметического блока умножения с накоплением 34, а выход шестого арифметического сумматора-вычитателя 28 соединен со вторым входом шестого арифметического блока умножения с накоплением 34, выходы первого, второго и третьего арифметических блоков умножения с накоплением 29, 30, 31 соединены с соответствующими входами пятого мультиплексора 35, а выходы четвертого, пятого и шестого арифметических блоков умножения с накоплением 26, 27, 28 подключены соответственно к входам шестого мультиплексора 36, выходы пятого и шестого мультиплексоров 35, 36 соединены с первым и вторым информационными входами микропроцессорного комплекта 37, причем выход общей синхронизации микропроцессорного комплекта соединен с соответствующими входами синхронизации всех мультиплексоров 12, 13, 19, 24, 35, 36, цифровых БИХ-фильтров 14, 15, 23, арифметических сумматоров-вычитателей 16, 17, 25, 26, 27, 28, арифметических блоков умножения с накоплением 29, 30, 31, 32, 33, 34, микропроцессорный комплект 37, содержащий входные и выходные регистры данных, блок обработки данных (БОД), блок микропрограммного управления (МПУ) и генератор синхроимпульсов (ГСИ), который синхронизирует работу МПУ, БОД, регистров, пятого и шестого мультиплексоров с временным разделением, и блок индикации 38. Устройство микропрограммного управления работает в конвейерном режиме, что позволяет повысить быстродействие за счет параллельной организации работы буферных регистров, цифровых БИХ-фильтров, мультиплексоров, арифметических сумматоров-вычитателей, арифметических блоков умножения с накоплением и микропроцессорного комплекта 37. Вход и выход исследуемого канала связи 20 являются измерительными входами устройства.

Измерение транспортного запаздывания сигналов _Т в технологии и технике связи, например в телефонии (от 100 Гц до 10 кГц) в режиме нормальной эксплуатации, сопровождается распределенными дистанционно индустриальными помехами n_i (t), которые в общем случае на ограниченном интервале наблюдения имеют нестационарный характер. На вход исследуемого объекта 20 с первого выхода цифроаналогового генератора 18 сигналов тональных частот через третий мультиплексор 19 когерентно с сигналом общей синхронизации подается тест-сигнал Х₁(nT). Одновременно этот сигнал поступает на вход первого АЦП 8. Со второго выхода цифроаналогового генератора 18 сигналов тональных частот через третий мультиплексор 19 на вход второго АЦП 9 подается когерентно копия тест-сигнала Х₂(nT), сдвинутая во времени на эталонную задержку _М, которая может программно управляться микропроцессорным комплектом 37. С выхода объекта исследования 20 сигнал Y*(t)=Y(t)+N(t), где Y(t) - полезный сигнал, a N(t) - обобщенная помеха, подается на вход третьего АЦП 21. Сигналы с выходов первого, второго и третьего АЦП 8, 9 и 21 в параллельном коде через первый, второй и третий буферные регистры 10, 11 и 22 поступают на соответствующие входы первого, второго и третьего цифровых БИХ-фильтров 14, 15 и 23.

В соответствии с алгоритмом аппроксимации оператора транспортного запаздывания сигналов тональных частот e^-s рядом Паде и ограничиваясь для инженерной практики вторым порядком, на соответствующих выходах трех цифровых БИХ-фильтров 14, 15 и 23 непрерывно в конвейерном режиме формируются сигналы С_ji(nT), где Т - шаг квантования во времени, единый для АЦП, буферных регистров и цифровых БИХ-фильтров, работающих в конвейерном режиме, а n=1, 2, 3, 4,...

Сигналы С _ji(nT) снимаются с первых, вторых и третьих выходов соответствующих цифровых БИХ-фильтров, причем

C_j3(nT)=d С _j2(nT)/dt=d² С_j1(nT)/dt,

где j=1, 2, 3.

В отличие от прототипа непрерывно формируются параллельно во времени два алгебраических уравнения вида:

При этом эталонный сдвиг копии тест-сигнала Тэ на втором выходе цифроаналогового генератора 18 сигналов тональных частот выбран таким образом:

Для этого достаточно, чтобы | _э|>| _т|.

От уравнений (1) и (2) можно перейти к уравнениям вида:

где DF_Т - неизвестный параметр, характеризующий знак и величину транспортного запаздывания сигнала тональных частот в линейном тракте исследуемого канала связи, включая АЦП и цифровые БИХ-фильтры, DF_M - второй дополнительный параметр, позволяющий установить случайную погрешность измерения, вызванную в общем случае нестационарной помехой на интервале наблюдения. Этот параметр характеризует транспортное запаздывание сигнала на втором выходе генератора 18 относительно сигнала тональных частот на выходе исследуемого объекта 20.

Переменные Z _ij(nT) в дискретных точках (nT) формируются на соответствующих выходах арифметических сумматоров-вычитателей 16, 17, 25, 26, 27 и 28. Сигналы с выходов шести арифметических сумматоров-вычитателей попарно синхронно поступают на соответствующие входы шести арифметических блоков умножения с накоплением 29, 30, 31, 32, 33, 34.

Точность оценки транспортного запаздывания сигналов тональных частот в линейных трактах каналов связи с различными видами модуляции повышается при статистическом накоплении информации на арифметических блоках умножения с накоплением в результате синхронного управления цифроаналоговым генератором 18 сигналов тональных частот. Интегрирование сигналов, входящих в уравнения (4) и (5), на специально формируемых отрезках времени от n_iT до (n_i+k_i )T заменили численным интегрированием методом прямоугольников. Объем выборки контролируется микропрограммным управлением МПУ микропроцессорного комплекта 37, который решает затем в БОД два алгебраических квадратных уравнения, сформированных параллельно во времени:

где

j=1, 2; m=1, 2, 3.

Микропроцессорный комплект 37 в отличие от прототипа вычисляет два значения: DF_T * и DF_M*. Знаки и величины DF_i* выводятся на блок индикации 38.

Используя тождество (3), при стационарном транспортном запаздывании сигналов тональных частот (что характерно для неподвижного расположения "абонент - узел связи") можно полностью устранить погрешность измерения транспортного запаздывания сигналов тональных частот, вызванную индустриальными помехами. Как показали экспериментальные исследования, в диапазоне от 50 Гц до 10 кГц точность измерения _Т* приближается к разрешающей способности микропроцессорного комплекта. При этом сохраняется возможность оперативной технической диагностики каналов связи в реальном масштабе времени. Перспективно применение данного цифрового устройства в задачах позиционирования мобильных абонентов в комбинированной сети передачи данных, включающей как проводные средства связи, так и радиоканалы. Повышенная точность измерения транспортного запаздывания сигналов в режиме нормальной эксплуатации повысит скорость диагностики и наладки сложных радиотехнических комплексов.