Добрый день.
Передо мной поставлена задача измерить частоту 1,8 МГц±300 кГц, с точностью до 10-100Гц. Вся загвоздка состоит в том что длительность этого сигнала не более 4,2 мкс ± 400нс.
Хотел бы выслушать ваши предложения, как это можно реализовать(хотя бы концепцию).
Так же это устройство должно быть как можно проще и дешевле.
Спасибо.

Дешево и просто решить задачу измерения интервалов с разрешением в единицы-десятки ps вряд ли возможно. Вот, возможно, "для затравки" пригодится - http://cddis.gsfc.nasa.gov/lw12/docs/Artyu..._al_MOTICEV.pdf

на правах мозгового штурма и по его правилам, за юнгу -

что если оцифровать ваш сигнал допустим на 10 мгц , сместить в цифре в ноль на комплексном смесителе с гетеродином 1.8 МГц , вычислить фазу между I и Q составляющими сигнала ошибки (на CORDICe) ,два раза , посчитать разницу и перевести в частоту?
чтобы добиться точности гетеродин 1.8 мгц делаем из стабильного источника на цифровом DDS c большим аккумулятором, фазу измеряем с разрядностью , не знаю, 18 бит например.

У человека есть всего лишь ~7 периодов измеряемой частоты, и, как я понимаю, измерение надо по одной такой пачке и сделать....

Я бы на вход триггер Шмидта поставила, например такой:
SN74LVC1G14DBVR
до девальвации за 7 руб 16 коп такой покупала в розницу в Терраэлектронике.
Это чтобы входной сигнал преобразовать к прямоугольному виду и длительность ему нарастить.
А с выхода подать этот прямоугольник прямо на счетный канал таймера какого-нибудь МК.
Частота невелика - практически любой МК с этой задачей справится, даже дешевенькая Тинька.
Если копить 1 секунду, то точность будет до 1 Гц.

Если импульс единичный, тогда поставленная вам задача трудно реализуема при современном состоянии техники. Можно было бы использовать осциллоскоп (интересно, с какой частотой дискретизации, сами), но все ж останется, как уже заметили, проблема с фронтами. Если у вас таки последовательность импульсов, тогда другое дело. У вас что?

Мне вот представляется, что это нереализуемо не только сейчас, но и всегда. Пока мы верим в принцип неопределенности.

..уважаемые, зачмырите мою идею пожалуста!
Почему не подойдёт?
Имхо в задаче есть большой плюс для решения - частота в определённых пределах заранее известна, это должно упростить задачу, несмотря на всего 7-мь периодов в импульсе.

всё прекрасно пойдёт, только вот зачем смещать вниз?
если есть оцифрованыый кусок длительностью в 4мкс, с десятком периодов частоты и сотней отсчётов, почему бы прям по нему FFT не сделать и не посмотреть где находится максимум?
то что полоса одного отсчёта спектра будет 250кГц не страшно, надо просто с достаточным SNR оцифровать, и на результат FFT около максимума натянуть на несколько точек какую-нибудь параболу (ну или честно гаусса e^(-x^2)) и найти где именно у неё находится максимум с необходимой точностью.
ну или методом наименьших квадратов подогнать под измеренные данные синус, тем самым найдя его частоту.

Потому, что кусок, например, даже идеально чистой синусоиды уже не гармоническая функция.
Я уже молчу про шумы и погрешность измерения.



Вот и оцените достаточную величину.
Еще. Берем идеальную (бумажную) синусоиду, отрезаем от нее кусок и подаем на неидеальный входной паразитный фильтр...
А какое будет среднеквадратичное отклонение?
Тут давно было много обсуждений по поводу алгоритмов нахождения частоты чистого гармонического сигнала при измерениях ограниченной длительности... А в данном случае ситуация еще хуже.

частоту синусоиды можно определить хоть по четверти периода, вопрос лишь в необходимом для этого SNR.

На бумаге.

не понятно, частоту нужно определить по одной пачке или можно взять несколько
для одной пачки источник сигнала сигнала должен иметь соответствующий джиттер

..ну у нас же есть около 7-ми полных периодов! Вполне думаю достаточно чтобы принять за гармоническую функцию.

Ставите компаратор, заполняете период высокочастотными калиброванными по времени импульсами, и считаете их. Можно использовать все 7 периодов, точнее будет.

Вот возьмите на бумаге функцию A(1+bt)*sin(w0*(1+at)*t), вырежьте из нее кусочек и экспериментируйте.


Так можно было бы делать, если бы сигнал был всегда, а измерять его мы бы хотели в произвольное время. Но сигнал появляется на это некоторое время. Это другая ситуация. Кроме того... оцените скорость и воспроизводимость сигнала с компаратора. Пусть даже для идеального куска синусоиды без шума. Вы еще не сказали частоту импульсов заполнения.

..считать придётся на кучигиговой частоте чтобы в точность 100 гц уложиться.

Осталась совсем малость - источник микроволновых колебаний и логика с соответствующим быстродействием. Перечитайте начальные условия - речь идет о пикосекундном разрешении (в смягченном варианте - десятки пикосекунд).

Впадая в философию - если сигнал появился один раз за время жизни вселенной, то он никому не нужен.
Значит, наш сигнал приходит неоднократно, может, со случайным интервалом, может, периодически. Определить, что он закончился, и нужно ждать следующей пачки, можно по таймауту, для этого свой одновибратор нужно запустить, или программным способом...

..мы по работе, принимаем импульсы ЛЧМ - в цифре обрабатываем их как выше описал и всё работает, у нас периодов побольше 7-ми получается , но не вижу большой разницы - 7 мь периодов или 700 в импульсе. Кроме разницы в требуемом С\Ш конечно.

Тут теряется само понятие "частота". С чем сравнивать будем результат? Речь может идти только о средней частое - т.е. количестве нулей за некоторое время. А тут невозможно с нужной точностью детектировать эти нули.


Вот берете один период идеальной синусоиды и подаете на паразитный фильтр нижних частот... Напомню - интеграл Дюамеля.

..не понимаю вас, у нас есть несколько периодов сигнала - для измерения частоты достаточно одного периода.
Сравнивать будем с высокостабильным гетеродином.

Даже части периода... Только частота меняется и теряется... И период. И амплитуда.
Я Вас тоже не понимаю. Вот предложенную Вам выше модельную формулу обсчитайте.

да, пожалуйста

получившийся график ошибки частоты от SNR:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
40дБ при Fs=10МГц вполне хватит для сотни Гц ошибки


неужели линейный ФНЧ частоту сигнала поменяет?
отрежте просто от сигнала первые несколько tau этого паразитного ФНЧ.

Полностью присоединяюсь, ТЗ отпето политически ангажировано.

..в каждой пачке может не один и тот же сигнал быть, а 1.8 МГц +- разная дельта, может они так информацию передают. Может доплер измеряют.

Да, на доплеровскую частоту похоже.

Ну, последний раз автор сдвигал некие 915 МГц RFID — может не то и не туда сдвинул, вот и упёрся в данную тему.

А вы попробуйте... Посчитайте по Дюамелю.
И в формулу заложите дрейф "частоты" и "амплитуды".

ФНЧ же линейный , как линейный элемент может изменить частоту , даже по Дюамелю?
Откуда в одной пачке возьмётся дрейф частоты и амплитуды? Из-за С\Ш ?

Если топикстартер еще чуток "урежет осетра" по разрешающей способности, может быть "малой кровью" и удастся что-то сделать. Основную часть пачки - классически, с заполнением частотой и счетом, и два интерполятора (на "голову" и на "хвост" пачки импульсов, один не успеет). Субнаносекундное разрешение получить удастся, вопрос точности решается рекалибровкой. 100-не-100 Hz, но 300, пожалуй, выжать удастся...Но простым это решение все равно не будет. А вот удастся ли получить приемлемый джиттер сигнала на входе ?

Нет уже частоты для куска сигнала... Появится перекос "фона", который будет зависеть от фазы появления сигнала.

нет уж, теперь ваша очередь,
возмите кусок синуса, пропустите через ФНЧ, потом отрежьте от получившегося первые и последние несколько постоянных времени фильтра, и покажите что у получившегося сигнала поменяется именно частота, а не фаза и амплитуда.


а окуда возьмется дрейф частоты и амплитуды? тем более за 4мкс?
считайте что выше SNR посчитан не как уровень белого шума, среднеквадратичное от разницы между идеальным синусом и сигналом.
а если исходный сигнал не просто синус, а ЛЧМ да еще и с непостоянной амплитудой, то и искать там надо не идеальный синус, а соответсвуйщий сигнал.

..объясните, на каком количестве периодов сигнала частота появляется в куске сигнала? Так как в реальной жизни мы имеем дело только с кусками сигналов.

з.ы.

привожу пример - мы занимаемся РЛС , излучаем импульс ЛЧМ и принимаем отражённые импульсы с доплером , перемножаем с импульсным (копией излучённого сигнала) и получаем - разницу , измеряем её на БПФ . По сути делаем тоже самое что нужно ТС - измеряем частоту пришедшего сигнала, всё работает.

Всем спасибо за ответы(я даже не ожидал что дискуссия будит такой активной).
Попытаюсь прокомментировать некоторые ответы.

Lmx2315


rx3apf

Да именно так, следующая пачка может быть уже с другой частотой.

_pv
Использование этого метода потребует очень быстродействующего АЦП, тоесть дорогого, импортного. А необходимо решить задачу "дёшево и сердито", и всё должно быть с 5 приёмкой.

PLain

Это вышло случайно

Lmx2315

Не Доплер, приём некой аналоговой информации. В каждой пачки всегда одна и таже частота, в разных пачках может находится разные частоты, а может и совпадать, это случайный процесс.

PLain

Нет, с той темой эта задача не связанна. Ту тему, успешно сдали заказчику с месяц назад.

rx3apf

"Урезать осётра" боюсь не получится. Но можно исходный сигнал (1,8 МГц) умножить на 32 (57,6 МГц), тем самым и разброс частоты увеличится в 32 раза, с 300 кГц до 9.6 МГц. А значит и точность можно понизить в 32 раза.
А далее оцифровать умноженный сигнал АЦП с частотой дискретизации меньшей чем частота сигнала (перенос частоты на АЦП). После разложить на квадратуру, измерить фазы а затем и узнать частоту.
Правда умножение ухудшает фазовые шумы сигнала, что ведёт к увеличению временной нестабильности, то есть возрастает погрешность измерения, но вот на сколько, затрудняюсь ответить.

Так же хочу отметить что длительность сигнала и частота связанны, при любой частоте в сигнале будет всегда ровно 7 периодов.

В задаче по-прежнему нет смысла по причине законов природы, т.е. шумов. Передать некую информацию кучеряво для врага можно несравненно менее затруднительными для себя же способами.

Plain
Не я выбирал задачу, но мне её реализовывать.

9008ВГ1Я (АЦП Элвис 20 МГц) - 1288ХК1Т (SDR приёмник Элвис) - Микроконтроллер на ваш вкус из отечественных .
Вам надо - оцифровать, снести в ноль , децимировать, отфильтровать, вывести квадратуры в МК и там посчитать фазу из неё частоту. Или ввести квадратуры в МК и посчитать FFT и интерполировать результат.

з.ы.
правда я не уверен про дёшево - дёшево к 5-й приёмке не относится.

Lmx2315
Возможно я не совсем понял Ваш метод. Немоглибы Вы пояснить его ещё раз, "на польцах".

..оцифровываете входной сигнал на частоте 10 МГц (к примеру) - отправляете в 1288ХК1Т внутри у неё уже встроены комплексные перемножители, которые сносят ваш сигнал в ноль посредством цифрового гетеродина 1.8 Мгц, потом встроенными дециматорами , снижаете частоту сэмплирования до вашего разброса +- 300 Кгц , т.е. до 600 КГц . Фильтруете дополнительно от шумов и искажений (встроено в микруху) - затем квадратуры выдаёте на микроконтроллер где считаете угол между квадратурами за еденицы семплирования. Высчитываете разницу фазы от двух измерений - и по ней , зная частоту семплирования определяете частоту сигнала ошибки ( отклонение от гетеродина в 1.8 МГц ) .

Или всё тоже самое - вводите квадратуры в МК и считаете БПФ от полосы -300 + 300 Гц и интерполируете результат с требуемой точностью в частоту расстройки от гетеродина 1.8 Мгц.

з.ы.

пусть меня поправят если я накосячил где.

Мне интересно, как выглядит такой сигнал. Синус? Начинается в 0V, и заканчивается там же? Т.е. идеально 7 периодов синусоиды?

..ну если он не такой, то полоса у него будет ...хм - бесконечно широка

Вот этот параметр (начальная фаза) вполностью зависит от меня, как я скажу, такой она и будет.

Lmx2315
Так как я больше по СВЧ чем по цифре (сейчас только начил читать "Цифровая обработка сигналов Р.Лайонс 2006"), то некоторые вещи мне не понятны (Децимирующий цифровой фильтр). Но это я попробую завтра исправить. А вот зачем делать это"снижаете частоту сэмплирования до вашего разброса +- 300 Кгц , т.е. до 600 КГц" вообще не понять. Можете порекомендовать литературку по придмету?

кстати , всё хотел спросить - а как часто ваши импульсы будут появляться, с какой-то периодичностью? или случайно? Максимальная частота повторения появления какая (или минимальный период)?

А неравномерность АЧХ АЦП в полосе 1,8 МГц±300 кГц от вас тоже зависит?

если полоса вашего сигнала будет занимать максимум 600 Кгц , то чтобы не перегружать микроконтроллер ненужным потоком данных, производится децимация с частоты оцифровки до минимальной частоты в которой помещается ваша рабочая полоса сигнала. Чем ниже частота семплирования тем Микроконтроллер больше успеет сделать с данными за единицу времени. Можно конечно и на рабочей частоте всё проделывать - но потребуется что-то гораздо более мощное на вычислительной стороне.



..неравномерность АЧХ АЦП можно измерить и исправить.

Lmx2315

Импульсы появляются тогда, когда я генерирую запросный импульс. и через 1,8 мкс +- (0,5-1) мкс они приходят. Периуд повторения запросных импульсов ограничен суммой задержки (1,8 мкс +- (0,5-1) мкс) и длительностью ответного сигнала.

..тогда нет проблем.

Уж больно точность заявлена высокая: 10/1,8^6 = 5,6 ppm. Боюсь, вам каждые 10 секунд придется измерять и исправлять АЧХ..