CC BY
127
Радиофизика
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 1, с. 67-71
УДК 53.084.42
ПОСТРОЕНИЕ ЦИФРОВОГО ПРИЁМНИКА ЭТАЛОННЫХ ЧАСТОТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЕЙВЛЕТ-ФУНКЦИИ МОРЛЕ
© 2011 г. Д-С. Потехин, Ю.В. Гришанович
Ковровская государственная технологическая академия им. В.А. Дегтярева
msyst@msyst.ru
Поступила в редакцию 10.03.2010
Предлагается принцип действия устройства с использованием вейвлет-функции Морле, позволяющего принимать одновременно сигналы эталонных частот, вещаемых разными радиостанциями.
Ключевые слова: стандарт частоты и времени, цифровой фильтр, вейвлет-функция Морле, цифровая обработка сигналов.
Введение
В связи с ростом объема передаваемой информации растет плотность заполнения «эфира» различными передающими устройствами, поэтому становится все более актуальной задача точного установления частоты для опорных генераторов передающих устройств. Для решения этой задачи требуется эталонный источник частоты.
Эталонные стандарты частоты являются дорогостоящими приборами - их содержание и обслуживание доступно малочисленным государственным лабораториям и операторам связи. Для средних и мелких предприятий, лабораторий, операторов связи подобные затраты неприемлемы. В настоящее время службы обеспечения единства средств измерения различных государств осуществляют трансляцию эталонных сигналов частоты в «эфир». Передача эталонного радиосигнала может осуществляться через наземные радиостанции или спутники навигационных систем. Основные проблемы, которые возникают в связи с такой трансляцией:
- зависимость от технического состояния и режима работы наземных радиостанций и спутниковых навигационных систем;
- опасность возникновения радиопомех, в том числе и в связи с «уплотнением эфира», приводящих к ухудшению качества сигналов синхронизации;
- ограниченная (2000-3000 км) зона уверенного приема эталонных сигналов от наземных радиостанций НЧ-диапазона.
Постановка задачи
При передаче эталонной частоты на большие расстояния сигнал подвергается воздействию
различных факторов, таких как состояние атмосферы (высота ионного слоя, наличие облачности и т.д.). Наиболее устойчивый прием эталонной частоты обеспечивается в дневное время, т.е. когда источник и приемник сигнала одновременно освещены солнечным светом [1].
Дороговизна существующих приемников эталонной частоты обусловлена необходимостью компенсации флуктуаций фазовых сдвигов в аналоговых цепях приемника. Причем каждый экземпляр приемника нуждается в индивидуальной тщательной подстройке режимов работы и характеристик аналоговых цепей. Настройка приемника эталонной частоты - трудоемкая операция, требующая высокой квалификации персонала. Этого недостатка лишены цифровые устройства, которые легко тиражируются и фактически не требуют подстройки.
В последнее время для создания систем автоматизированной обработки сигналов широкое распространение получил вейвлет-анализ. Цифровые фильтры, построенные с помощью вейвлет-преобразования, обладают хорошим частотно-временным разрешением, устойчивы к влиянию сдвига ноль-линии, легко подстраиваются для получения заданной добротности и полосы пропускания [2-4]. Поэтому предлагается использовать вейвлет-фильтры для наиболее достоверного определения параметров сигналов в условия высоких помех.
В настоящей статье предлагается принцип действия цифрового приемника, использующего вейвлет-преобразование, который, во-первых, обеспечивал бы требующуюся точность и стабильность принятия эталонной частоты; во-вторых, позволял бы принимать несколько частот одновременно, что актуально для удален-
ных областей; в-третьих, имел себестоимость намного ниже, чем современные эталонные стандарты частоты и времени.
Характеристики фильтров
Для построения цифрового приемника была выбрана схема приемника прямого преобразования. Основной проблемой при разработке приемников прямого преобразования является создание высокодобротного фильтра. При выборе коэффициентов фильтра необходимо руководствоваться следующими соображениями:
- фильтры должны иметь высокую добротность;
- необходимо максимальное подавление частот вне полосы пропускания фильтра для уменьшения фазовых искажений, т.к. принимаемые частоты имеют сильно ограниченную амплитуду сигнала по сравнению с местными шумами.
На рис. 1 представлена зависимость добротности от количества периодов Ы, соответствующих окну фильтрации.
вейвлет-преобразования, и их характеристики представлены на рис. 2.
Ь,дБ
О
-40
-80
-120
-160
-180І
^ ■ 3
ант ЇННсІ ,1 н т; кви
]_
т
~Т_ .
¡ГОИ
1 тп [1Л- і і гр г'г
40
50
60
70
Г, кГц
Рис. 2. Характеристики фильтров, используемых при обработке сигналов
Таким образом, указанный фильтр имеет высокую добротность, максимально подавляет частоты вне полосы пропускания фильтра (т.к. принимаемые частоты имеют сильно ограниченную амплитуду сигнала по сравнению с местными шумами).
Экспериментальная часть
Структурная схема предлагаемого цифрового приемника представлена на рис. 3.
Рис. 1. Зависимость добротности вейвлет-фильтра от количества периодов, входящих в окно фильтра
Рис. 3. Структурная схема устройства
Принимаемый сигнал оцифровывается с частотой дискретизации, задаваемой внешним поверяемым генератором частоты, которая для большинства приборов имеет величину 5 МГц. Для стандарта ЯВИ получается 75 выборок на период сигнала образцовой частоты. Поэтому для реализации фильтра с добротностью Q = 70 необходим КИХ-фильтр порядка 75000. Коэффициенты таких фильтров были рассчитаны по методике, описанной в [2] с использованием
Блок цифровой обработки сигналов (БЦОС) выполнен на ПЛИС, что позволяет гибко менять коэффициенты фильтров, а также легко производить окончательную обработку сигнала и передавать результаты измерений другому компьютеру или сохранять их.
Для приема были выбраны две радиостанции: ЯВИ (Москва) и MSF (Англия), потому что они вещают близкие друг к другу образцовые частоты - 66.(6) и 60 кГц соответственно - и
находятся на расстоянии приблизительно 250 и 2600 км от точки приема (г. Ковров Владимирской области).
Прием сигналов длинноволнового диапазона, к которому относятся сигналы образцовой частоты 66.(6) и 60 кГц (4500 и 5000 м соответственно), затруднен из-за большого уровня индустриальных и атмосферных помех. Поэтому прием сигналов эталонной частоты осуществляется рамочной антенной с встроенным усилителем. Применение открытых антенн (например, Г-образных или штыревых) нежелательно, так как они в большей степени подвержены атмосферным и промышленным помехам. В качестве образцового генератора (рис. 3) берется поверяемый прибор, в описываемом случае был взят рубидиевый стандарт частоты и времени СЧ-74. АЧХ антенны настроена на частоту 62 кГц, которая лежит между частотами радиостанций RBU и MSF.
На рис. 4 приведен график зависимости от времени фазы принимаемых стандартов RBU и MSF после вейвлет-обработки [3,4], по отношению к фазе рубидиевого стандарта частоты и времени СЧ-74.
Рис. 4. Фаза принимаемых сигналов: верхний - стандарт частоты RBU (66.(6) кГц, Россия), нижний - стандарт частоты MSF (60 кГц, Англия)
Из анализа рис. 4 можно сделать вывод о возможности регистрации фазы стандарта RBU и непригодности для этого стандарта ЫБР. На рис. 5 показаны гистограммы сдвига фаз принимаемых стандартов относительно рубидиевого стандарта с различным временем усреднения. Шаг гистограммирования 0.5°. Как видно из рис. 5, при увеличении времени накопления (до 6 мин) можно различить сдвиг фаз стандарта частоты ЫБР относительно образцового. На рис. 6 представлена объемная гистограмма с разверткой по времени ухода фазы стандарта частоты и времени СЧ-74 относительно стандартов RBU и ЫБР за четверо суток наблюдения. Минимальное значение гистограммы обозначено белым цветом, а максимальное - черным.
а)
б)
в)
г)
Рис. 5. Гистограммы сдвига фаз принимаемых стандартов относительно рубидиевого стандарта с различным временем усреднения: а) RBU 10 сек (1500 отсчетов); б) ЫБЕ 10 сек (1500 отсчетов); в) RBU 5 мин (60000 отсчетов); г) ЫБЕ 5 мин (60000 отсчетов)
Рис. 7. Уход мени СЧ-74 двое суток
По рис. 7 можно определить величину ухода стандарта СЧ-74 относительно RBU. Для этого строим аппроксимирующую прямую, по которой находим уход фазы генератора. В рассмотренном случае уход фазы составляет Дф = 28.5°, тогда можно определить уход частоты:
А = -
Аф- %
= 4.5 -10-7 Гц,
2-%-А-180 где Аґ = 172800 с (двое суток) - интервал времени наблюдения.
Относительное отклонение частот стандартов СЧ-74 и RBU за двое суток по результатам замеров (см. рис. 7) составляет:
АС
І~ст
4.5 -10
,-7
■ 7-10-
-12
Рис. 6. Уход фазы колебаний стандарта частоты и времени СЧ-74 относительно стандарта частоты RBU и МБЕ за четверо суток
Из рис. 6 видно, что данное устройство позволяет выделить сдвиг фаз из сильно зашумленного сигнала, например, для частоты MSF (см. рис. 4). Видны также скачки ухода фазы, что связано с суточными колебаниями условий прохождения длинных волн и объясняется отражением от ионосферы и земли, зависит от времени года, метеорологических условий, периода солнечной активности и ионосферных возмущений.
Проведем расчеты по полученным данным, например для частоты RBU.
фазы колебаний стандарта частоты и вре-относительно стандарта частоты КВи за
66.(6) -103
По результатам измерений проводится корректировка местного рубидиевого стандарта частоты и времени СЧ-74, а по нему уже корректируются вещаемые стандарты.
Выводы
Устройство, построенное с использованием цифровых фильтров на основе вейвлет-функции Морле, обладает следующими достоинствами:
- позволяет определить частоту сигнала RBU с высокой точностью;
- позволяет определить частоту сигнала станции (MSF), находящейся более чем в 2500 км от принимающего устройства;
- одновременно принимать эталонные сигналы нескольких радиостанций с одним аналоговым каналом без дополнительных настроек;
- себестоимость такого устройства в несколько раз ниже, чем себестоимость приемников-компараторов ЭСЧВ.
Список литературы
1. Приемник-компаратор Ч7-38. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Альбом № 1. 1988. С. 53.
2. Карпенков А.С. Подход к расчету целочисленного цифрового селекторного фильтра для программно-зависимого радио с заданной полосой пропускания // Системы управления и информационные технологии. 2009. № 2. 1(36). С. 133-136.
3. Дьяконов В.П. Вейвлеты. От теории к практике. М.: СОЛОН-Р, 2002. 448 с.
4. Потехин Д.С., Тарасов И.Е., Тетерин Е.П. Влияние коэффициентов и пределов интегрирования вейвлет-функции Морле на точность результатов анализа гармонических сигналов с нестационарными параметрами // Научное приборостроение. 2002. Т. 12, № 1. С. 90-95.
CONSTRUCTION OF A DIGITAL RECEIVER FOR STANDARD FREQUENCIES USING MORLET WAVELET FUNCTION
D.S. Potekhin, Yu.V. Grishanovich
The authors propose the principle of the device using the Morlet wavelet function permitting to receive simultaneously standard-frequency signals broadcast by different radio stations.
Keywords: time and frequency standard, digital filter, Morlet wavelet function, digital signal processing.
