АКУСТООПТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА Российский патент 1994 года по МПК G01R23/17 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может использоваться для спектрального анализа сложных сигналов.

Цель изобретения - повышение помехозащищенности и достоверности спектрального анализа.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого анализатора; на фиг.2 - структурная схема блоков оптической обработки; на фиг.3 - частотная диаграмма, поясняющая принцип образования дополнительных (зеркальных) каналов приема; на фиг.4 - взаимное расположение символьных частот сигналов с многократной частотной манипуляцией (ЧМН); на фиг.5 - закон изменения фазы ЧМН сигнала изображен.

Акустооптический анализатор спектра содержит последовательно включенные антенну 1, преобразователь 2 частоты, состоящий из гетеродина 3 и смесителя 4, гетеродин 5, смеситель 6, усилители 7-10 промежуточной частоты, амплитудные детекторы 12-14, ключи 15-17, лазер 18, коллиматор 19 и блоки 20-22 оптической обработки.

Каждый блок оптической обработки состоит из последовательно включенных перемножителей 23, полосового фильтра 24, перемножителя 25, полосового фильтра 26, перемножителя 27 и полосового фильтра 28. На пути распространения пучка света от лазера 18 последовательно установлены коллиматор 19 и ячейки Брэгга 29-32 каждого блока оптической обработки. На пути распространения дифрагированного пучка света каждой ячейки Брэгга установлена соответствующая линза 33 (34-36), в фокальной плоскости которой размещены матрица 37 (38-40) фотодетекторов, выход которой соединен с соответствующим блоком 41 (42-44) индикации.

Акустооптический анализатор спектра работает следующим образом.

С выхода антенны 1 на первые входы смесителей 4 и 6 поступает принимаемый сигнал, например, с бинарной фазовой манипуляцией (ФМН-2). U_c(t)= U_ccos[2πf_ct+ϕ_к(t)+ϕ_c],
0≅t≅T_c, где U_c, f_c, T_c и ϕ_c - амплитуда, несущая частота, длительность и начальная фаза сигнала;
ϕ_к(t)= 0, π - манипулируемая составляющая фазы сигнала, отображающая закон фазовой манипуляции, причем ϕ_к(t) = const при Kτ_и≅t≅(k+1)τ_ии и может изменяться скачком при t = K τ_и, т.е. на границах между элементарными посылками (К = 1, 2,..., N - 1);
τ_и и N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т_с(Т_с = N τ_н). На вторые входы смесителей 4 и 6 соответственно с выходов гетеродинов 3 и 5 подаются напряжения
U_г1(t) = U_г1cos(2π f_г1t + ϕ_г1),
U_г2(t) = U_г2cos(2π f_г2t + ϕ_г2), где U_г1, U_г2, f_г1, f_г2, ϕ _г1 и ϕ_г2 - амплитуды, частоты и начальные фазы напряжений гетеродинов, причем частоты f_г1 и f_г2 гетеродинов 3 и 5 выбраны следующим образом:
f_г2 - f_г1 = 2f_пр, что приводит к удвоению числа зеркальных каналов (фиг.3).

Частота настройки f_н1 и полоса пропускания усилителей Δ f₁ 7, 9 и 11 промежуточной частоты выбраны следующим образом:
f_н1 = f_пр, Δ f₁ = f_пр.

Частота настройки f_н2 и полоса пропускания Δ f₂ усилителей 8 и 10 промежуточной частоты выбраны следующим образом:
f_н2 = 3f_пр, Δ f₂ = f_пр. В смесителях 3 и 6 принимаемый сигнал преобразуется в напряжения следующих частот:
f_c1 = f_c - f_г1 = f_пр,
f_c2 = f_г2 - f_c = f_пр, где первый индекс обозначает канал, по которому принимается сигнал;
второй индекс обозначает номер гетеродина, участвующего в преобразовании несущей частоты принимаемого сигнала.

Усилителями 7, 9 и 11 промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:
U_пр1(t) = U_пр1cos[2π f_прt + ϕ_к(t) + ϕ_пр1]
U_пр2(t) = U_пр2cos[2π f_прt - ϕ_к (t) - ϕ_пр2], где
U_пр1 = К₁U_cU_г1, 0≅ t ≅ Т_с
U_пр2 = K₁U_cU_г2, где К₁ - коэффициент передачи смесителей.

f_пр = f_c - f_г1 = f_г2 - f_o - промежуточная частота;
ϕ_пр=ϕ_c-ϕ_г1,ϕ_пр2=ϕ_c-ϕ_г2.

Напряжение U_пр2(t) с выхода усилителя 11 промежуточной частоты поступает на вход амплитудного детектора 12, где выделяется его огибающая, которая поступает на управляющий вход ключа 15, открывая его. Ключи 15-17 в исходном состоянии всегда закрыты. При этом напряжение U_пр1(t) с выхода усилителя 7 промежуточной частоты через открытый ключ 15 поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 29 и на два входа перемножителя 23 блока 20 оптической обработки. На выходе перемножителя 23 образуется гармоническое напряжение
U₁(t)=U₁cos(4πf_прt+2ϕ_пр1),
0≅t≅T_c где U₁ = К₂U_пр1²;
К₂ - коэффициент передачи перемножителя.

Так как 2ϕ_к(t) = 0,2π, то в указанном напряжении фазовая манипуляция уже отсутствует. Напряжение U₁(t) выделяется полосовым фильтром 24 и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 30 и на два входа перемножителя 25, на выходе которого образуется гармоническое напряжение
U₂(t)=U₂cos(8πf_прt+4ϕ_пр1),
0≅t≅T_c где U₂ = K₂U₁². Это напряжение выделяется полосовым фильтром 26 и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 31 и на два входа перемножителя 27, на выходе которого образуется гармоническое напряжение
U₃(t)=U₃cos(16πf_прt+ϕ_пр1),
0≅t≅T_c где U₃ = K₂U₂² Это напряжение выделяется полосовым фильтром 28 и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 32.

Пучок света от лазера 18, сколлимированный коллиматором 19, проходит через все ячейки Брэгга блоков 20-22 оптической обработки и дифрагирует на акустических колебаниях, возбужденных напряжением U_пр1(t). На пути распространения дифрагируемой части пучка света (приблизительно 1/10 часть основного пучка света) устанавливается линза 33 (34-36), формирующая пространственный спектр принимаемого сигнала. В фокальной плоскости линзы 33 (34-36) установлена матрица фотодетекторов 37 (38-40), выход которой соединен с соответствующим блоком индикации 41 (42-44). В качестве блоков 41-44 индикации используются осциллографические индикаторы. Каждому элементу анализируемого частотного диапазона соответствует свой фотодетектор. Каждая ячейка Брэгга состоит из звукопровода и возбуждающей гиперзвук пьезоэлектрической пластины, выполненной из кристалла ниобата лития, соответственно, Х и Y - 35^о среза. Это обеспечивает автоматическую подстройку по углу Брэгга и работу ячейки в широком диапазоне частот.

Ширина спектра ФМН-2-сигнала Δf_с определяется длительностью τ_иэлементарных посылок (Δf_с= ). Тогда как ширина спектра второй Δf₂, четвертой Δf₄ и Δf₈ восьмой гармоник определяется длительностью Т_с сигнала.

Следовательно, при умножении фазы на два, четыре и восемь спектр ФМН-2-сигнала сворачивается в N раз
( = = = N) и трансформируется в одиночные спектральные составляющие. Это обстоятельство и является признаком распознавания ФМН-2 сигнала.

Амплитудные спектры принимаемого ФМН-2-сигнала и его гармоник визуально наблюдаются на экране индикаторов 41-44.

Если на вход анализатора спектра поступает ФМН-4 сигнал
[ϕ_к(t)= 0, π/2, π, 3/2π], то на выходе полосового фильтра 24 образуется ФМН-2 сигнал
[ϕ_к(t)= 0, π, 2π,3π], а на выходе полосовых фильтров 26 и 28 образуются соответствующие гармонические напряжения U₂(t) и U₃(t). В этом случае на экранах индикаторов 41 и 42 наблюдаются сигналы ФМН-4 и ФМН-2-сигналов, а на экранах индикаторов 43 и 44 наблюдаются одиночные спектральные составляющие.

Если на вход устройства поступает ФМН-8-сигнал
[ϕ_к(t)= 0,π/4,π/2,3/4π,π,5/4π,3/2π,7/4π], то на выходах полосовых фильтров 24 и 26 образуются ФМН-4 и ФМН-2-сигналы, а на выходе полосового фильтра 28 - гармоническое напряжение U₃(t). В этом случае на экранах индикаторов 41-43 наблюдаются спектры ФМН-8, ФМН-2 и ФМН-4 сигналов, а на экране индикатора 44 - одиночная спектральная составляющая.

Если на вход анализатора спектра поступает ЧМН-2 сигнал
U_c(t)= U_ccos[2πf_cpt+ϕ(t)+ϕ_c],0≅t≅T_c где ϕ (t) - изменяющаяся во времени фазовая функция (фиг,5);
f_ср= - средняя частота сигнала (фиг.4);
-символьные частоты, то на выходе полосового фильтра 24 образуется ЧМН-сигнал с индексом девиации частоты h = 1. При этом его спектр трансформируется в две спектральные составляющие на частотах 2f₁ и 2f₂. На выходе полосового фильтра 26 образуются две спектральные составляющие на частотах 4f₁ и 4f₂. А на выходе полосового фильтра 28 образуются две спектральные составляющие на частотах 8f₁ и 8f₂.

Если на вход анализатора спектра поступает ЧМН-3-сигнал, то на выходе полосовых фильтров 26 и 28 образуются три спектральные составляющие на частотах 4f₁, 4f_ср, 4f₂ и 8f₁, 8f_cр, 8f₂, т.е. сплошной спектр трансформируется в три спектральные составляющие. На выходе перемножителя 23 спектр ЧМН-3-сигнала трансформируется в другой сплошной спектр, поскольку h < 1. Таким образом, на экранах индикаторов 41 и 42 наблюдаются сплошные спектры.

Если на вход устройства поступает ЧМН-5-сигнал, то на выходе перемножителя 27 его сплошной спектр трансформируется в пять спектральных лепестков с пиковыми значениями на частотах 8f₁, 8f₃, 8f_ср, 8f₄, 8f₂. На выходах перемножителей 23 и 25 сплошной спектр ЧМН-5-сигнала трансформируется в сплошные спектры, так как в этих случаях h < 1. Таким образом, на экранах индикаторов 41-43 наблюдаются сплошные спектры, а на экране индикатора 44 - пять спектральных лепестков.

Если на вход устройства поступает сигнал с линейной частотой модуляцией (ЛЧМ)
U_c(t)= U_ccos(2πf_ct+πγt²+ϕ_c), 0≅t≅T_c где γ = - скорость изменения частоты внутри импульса;
Δf_д - девиация частоты, то преобразователем 2 частоты он переносится на промежуточную частоту
U_пр1(t)= U_пр1cos(2πf_прt+πγt²+ϕ_пр1), 0≅t≅T_c. В этом случае на выходе перемножителя 23 образуется ЛЧМ-сигнал
U₁(t)= U₁cos(4πf_прt+2πγt²+2ϕ_пр), 0≅t≅T_c который выделяется полосовым фильтром 24 и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 29. Так как длительность Т_с ЛЧМ-сигнала на основной и удвоенной промежуточных частотах одинакова, то увеличение γ в два раза происходит за счет увеличения в два раза девиации частоты Δ f_д. Из этого следует, что ширина спектра ЛЧМ-сигнала на удвоенной промежуточной частоте в два раза больше его ширины на основной промежуточной частоте ( Δf₂ = 2Δ f_c).

Аналогично на выходах перемножителей 25 и 27 ширина спектра ЛЧМ-сигнала увеличивается в четыре и восемь раз.

Следовательно, на экране индикатора 41 визуально наблюдается спектр ЛЧМ-сигнала, а на экранах индикаторов 41, 42 и 44 - спектры ЛЧМ-сигналов, ширина которых в два, четыре и восемь раз больше ширины спектра исходного ЛЧМ сигнала. Это обстоятельство и является признаком распознавания ЛЧМ сигнала.

Напряжения U_пр1(t) и U_пр2(t) с выходов усилителей 9 и 11 промежуточной частоты поступают соответственно на первые входы ключей 16 и 17. Так как в полосу пропускания Δf₂ усилителей 8 и 10 промежуточной частоты напряжения U_пр1(t) и U_пр2(t) не попадает, то ключи 16 и 17 остаются в закрытом состоянии.

Следовательно, если сложный сигнал принимается по основному каналу на частоте f_c, то его спектры и спектры гармоник визуально анализируются на экранах индикаторов блока 20 оптической обработки.

Если сложный сигнал принимается по первому зеркальному каналу на частоте f_з1, то в смесителях 4 и 6 он преобразуется в напряжения следующих частот: d₁₁ = f_г1 - f_з1 = f_пр,
f₁₂ = f_г2 - f_з1 = 3f_пр, которые попадают в полосы пропускания Δf₁ и Δ f₂ усилителей 7, 9 и 10 промежуточной частоты
U_пр3(t)=U_пр1cos[2πf_прt-ϕ_к(t)-ϕ_пр1],
U_пр4(t)=U_пр2cos[6πf_прt-ϕ_к(t)-ϕ_пр2], 0≅t≅T_c. Напряжение U_пр4(t) с выхода усилителя 10 промежуточной частоты поступает на вход амплитудного детектора 14, где оно детектируется и поступает на управляющий вход ключа 16, открывая его. При этом напряжение U_пр3(t) с выхода усилителя 9 промежуточной частоты через открытый ключ 16 поступает на вход блока 21 оптической обработки.

Напряжение U_пр3(t) с выхода усилителя 7 промежуточной частоты поступает на первый вход ключа 15. Так как в полосу пропускания Δf₁усилителя 11 промежуточной частоты напряжение не подается, то ключ 15 остается в закрытом состоянии.

Если сложный сигнал принимается по второму зеркальному каналу на частоте f_з2, то в смесителях 4 и 6 он преобразуется в напряжения следующих частот:
f₂₂ = f_з2 - f_г2 = f_пр,
f₂₁ = f_з2 - f_г1 = 3f_пр, которые попадают в полосы пропускания Δ f₁ и Δ f₂ усилителей 11 и 8 промежуточной частоты:
U_пр5(t)=U_пр2cos[2πf_прt+ϕ_к(t)+ϕ_пр2],
U_пр6(t)=U_пр1cos[2πf_прt+ϕ_к(t)+ϕ_пр1], 0≅t≅T_c. Напряжение U_пр6(t) с выхода усилителя 8 промежуточной частоты поступает на вход амплитудного детектора 13, где оно детектируется и поступает на управляющий вход ключа 17, открывая его. При этом напряжение U_пр5(t) с выхода усилителя 11 промежуточной частоты через открытый ключ 17 поступает на вход блока 22 оптической обработки, где визуально анализируется на экранах индикаторов.

Если сложные сигналы одновременно принимаются по основному каналу на частоте f_с и по зеркальным каналам на частотах f_з1 и f_з2, то в работе участвуют все блоки анализатора спектра.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может использоваться для спектрального анализа сложных сигналов. Анализатор спектра содержит антенну, преобразователь частоты, гетеродины, смесители, усилители промежуточной частоты, амплитудные детекторы, ключи, лазер, коллиматор, блоки оптической обработки. Каждый блок оптической обработки содержит перемножители, полосовые фильтры, ячейки Брэгга, линзы, матрицы фотодетекторов и блоки индикации. 1 з.п.ф-лы, 5 ил. ил.

1. АКУСТООПТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА, содержащий последовательно включенные приемную антенну, первый смеситель, первый усилитель промежуточной частоты и первый ключ, второй вход которого соединен с выходом первого амплитудного детектора, который своим входом соединен с выходом второго усилителя промежуточной частоты и с первым входом второго ключа, последовательно подключенные к выходу приемной антенны второй смеситель, третий усилитель промежуточной частоты, второй амплитудный детектор и третий ключ, второй вход которого соединен с выходом четвертого усилителя промежуточной частоты, своим входом соединенного с выходом первого смесителя и с входом пятого усилителя промежуточной частоты, выход которого через третий амплитудный детектор подключен к второму входу второго ключа, вторые входы смесителей соединены с выходами соответствующих гетеродинов, а выход второго смесителя подключен к входу второго усилителя промежуточной частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения помехозащищенности и достоверности спектрального анализа, в него введены лазер, коллиматор и три блока оптической обработки, причем на пути распространения пучка света лазера последовательно установлены коллиматор и три блока оптической обработки, электрические входы которых соединены с выходами ключей соответственно. 2.Анализатор по п.1, отличающийся тем, что блок оптической обработки выполнен в виде последовательно включенных первого перемножителя, первого полосового фильтра, второго перемножителя, второго полосового фильтра, третьего перемножителя и третьего полосового фильтра, на пути распространения сколлимированного пучка света последовательно установлены первая, вторая, третья и четвертая ячейки Брэгга, пьезоэлектрический преобразователь первой из которых соединен с двумя входами первого перемножителя и с выходом первого ключа первого полосового фильтра, третьего - с двумя входами третьего перемножителя и с выходом второго полосового фильтра, четвертого - с выходом третьего полосового фильтра, а на пути распространения дифрагируемой части пучка света каждой ячейки Брэгга установлена линза, в фокальной плоскости которой размещены матрицы фотодетекторов, к выходу которых подключен блок индикации.