УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЛИНЕЙНО-ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННОГО СИГНАЛА Российский патент 1995 года по МПК G01S7/292 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиолокации и технике связи при построении устройств измерения центральной частоты и скорости перестройки частоты ЛЧМ сигналов в заданном диапазоне частот в условиях параметрической априорной неопределенности.

Известно устройство для измерения девиации частоты, содержащее последовательно соединенные смеситель, усилитель промежуточной частоты и частотный детектор, выход которого соединен через первый квадратор и первый режекторный фильтр с первым входом сумматора, а через фазовращатель второй квадратор и второй режекторный фильтр с вторым входом сумматора, выход которого через блок извлечения квадратного корня подключен к входу индикатора, а также генератор и селективный вольтметр.

Недостатком этого устройства является зависимость оценки девиации частоты так же, как и скорости перестройки частоты от параметров модулирующей функции.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для распознавания импульсных частотно-модулированных сигналов, содержащее последовательно соединенные усилитель высокой частоты (полосовой фильтр), линию задержки (элемент задержки), перемножитель, усилитель промежуточной частоты (фильтр нижних частот), частотный детектор и формирователь двухполярных импульсов, а также амплитудный детектор и пороговый блок.

Недостатком такого устройства является низкая точность определения центральной частоты ЛЧМ сигнала в режиме измерения частоты с выхода усилителя промежуточной частоты (фильтра нижних частот).

Известные технические решения позволяют производить измерение центральной частоты ЛЧМ сигнала, однако точность получаемых оценок невысока, поскольку динамическая составляющая погрешности оценки, обусловленная структурой сигнала, может быть значительной. К тому же для наиболее простой и типичной реальной ситуации приема сигнала и измерения его центральной частоты в условиях, когда векторы параметров сигнала и помех являются неизвестными, достоверность и точность получаемых оценок в известных технических решениях резко снижается.

Поэтому предпринята попытка получить процедуру точного измерения центральной частоты широкополосного радиоизлучения ЛЧМ, существующего в широком частотном диапазоне, в условиях параметрической априорной неопределенности.

Цель изобретения заключается в повышении точности определения центральной частоты ЛЧМ сигнала в условиях параметрической априорной неопределенности путем уменьшения динамической составляющей погрешности оценивания.

На чертеже представлена структурная схема устройства для измерения параметров ЛЧМ сигнала.

Устройство для измерения параметров ЛЧМ сигнала содержит обнаружитель 1, включающий в себя первый 2, второй 3 и третий 4 полосовые фильтры, входы которых объединены и представляют собой вход устройства, выход первого полосового фильтра 2, являющийся первым выходом обнаружителя 1, через первый амплитудный детектор 5 соединен с первыми входами первого 6 и второго 7 делителей напряжения, вторые входы которых соответственно через второй 8 и третий 9 амплитудные детекторы подключены к выходам второго 3 и третьего 4 полосовых фильтров, а выходы подключены к первым входам соответственно первого 10 и второго 11 пороговых блоков, вторые входы которых соединены с выходом блока 12 опорного напряжения, выходы первого 10 и второго 11 пороговых блоков подключены к соответствующим входам схемы 13 совпадений, выход которой, являясь третьим выходом обнаружителя 1, соединен с вторым входом электронного ключа 14, первый вход которого подключен к выходу первого амплитудного детектора 5, а выход, являющийся вторым выходом обнаружителя 1, соединен с вторым входом нормирующего устройства 15, первый вход которого соединен с первым выходом обнаружителя 1.

Выход нормирующего устройства 15 подключен к объединенным первому входу первого перемножителя 16 и входам первого элемента задержки 17 и фазовращателя 18, выход которого соединен с первым входом второго перемножителя 19, выход первого элемента 17 задержки соединен с вторыми входами первого 16 и второго 19 перемножителей, выходы которых соответственно через первый 20 и второй 21 фильтры нижних частоты подключены к первому и второму входам частотного детектора 22, который содержит третий перемножитель 23, первый вход которого является первым входом частотного детектора 22, элемент 24 задержки и второй перемножитель 25, первый вход которого объединен с входом элемента 24 задержки и является вторым входом частотного детектора 22. Выход элемента 24 задержки, являясь вторым выходом частотного детектора 22, соединен с вторыми входами первого 23 и второго 25 перемножителей, выходы которых соответственно через первый 26 и второй 27 фильтры нижних частот подключены к входам делителя 28 напряжения, выход которого через первый функциональный преобразователь 29 соединен с первым выходом частотного детектора 22, который подключен через весовой блок 32 к второму входу индикатора 31, третий вход которого соединен с третьим выходом обнаружителя 1.

Первый выход частотного детектора 22 соединен также с входом управления 33, два выхода которого подключены к соответствующим входам синтезатора 34 частот, первый вход которого соединен с вторыми входами третьего 35 и шестого 36 перемножителей, а второй выход с первым входом седьмого перемножителя 35, второй вход которого подключен к выходу формирователя 30 двухполярных импульсов, а выход соединен с вторыми входами четвертого 38 и пятого 39 перемножителей, к первым входам третьего 36 и четвертого 38 перемножителей подключен второй выход частотного детектора 22, а к первым входам пятого 39 и шестого 37 перемножителей через второй элемент задержки 40 выход второго фильтра 21 нижних частот, выходы третьего 36 и пятого 39 перемножителей соединены с соответствующими входами сумматора 41, а выходы четвертого 38 и шестого 37 перемножителей с соответствующими входами вычитателя 42. Выходы сумматора 41 и вычитателя 42 подключены к входам делителя 43 напряжения, выход которого через функциональный преобразователь 44 соединен с первым входом индикатора 31.

Устройство работает следующим образом.

На вход измерителя параметров ЛЧМ сигнала поступает аддитивная смесь воздействий, существующих в заданном частотном диапазоне
X(t) S(t)cost+ + +N(t), t_o- ≅ t ≅ t_o+ где S(t) огибающая сигнала;
ω₀ центральная частота сигнала;
β скорость изменения частоты сигнала;
Δ ω_д девиация частоты;
Т_с длительность сигнала;
ϕ₀ начальная фаза сигнала;
N(t) нормальная стационарная широкополосная помеха неизвестной мощности;
t₀ начало анализа.

Амплитуда начальная фаза сигнала статистически независимые случайные величины. Предполагается, что начало анализа t₀ и длительность сигнала Т_с неизвестны. Неизвестными параметрами также являются центральная частота сигнала ω₀ и скорость изменения частоты сигнала β, которые подлежат измерению.

Полосы пропускания полосовых фильтров 2, 3 и 4 обнаружителя 1 одинаковы и равны Δf. Частотный разнос между их полосами пропускания составляет ΔF и выбирается из условия получения статически независимых откликов фильтров. Предполагается, что сигнал присутствует только в первом полосовом фильтре 2 обнаружителя 1 и ширина спектра сигнала Δf_c= удовлетворяет условию Δf_c < Δf.

Сигналы с выходов полосовых фильтров 2, 3 и 4 после амплитудного детектирования представляют статически независимые случайные величины κ_i, i 1,2,3, служащие для формирования двух функций контраста η₁= и η₂= с выходов соответствующих делителей напряжения 6, 7, поступающих соответственно на два пороговых блока 10, 11, на опорные входы которых с выхода блока 12 опорного напряжения поступает пороговое напряжение, однозначно определяемое требуемой вероятностью ложных тревог и не зависящее от неизвестной мощности мешающих воздействий.

При одновременном срабатывании двух пороговых блоков 10, 11 на выходе схемы 13 совпадений появляется единичный потенциал, регистрирующий наличие сигнала в первом полосовом фильтре 2.

Срабатывание схемы 13 совпадений обеспечивает прохождение продетектированного напряжения через электронный ключ 14 на второй вход нормирующего устройства 15, на первый вход которого поступает высокочастотный сигнал с выхода первого полосового фильтра 2 обнаружителя 1. Нормированный по амплитуде сигнал поступает на первый вход второго перемножителя 19 через фазовращатель 18, осуществляющий фазовый сдвиг на угол π/2 радиан, на первый вход первого перемножителя 16 непосредственно, а на вторые входы перемножителей 16, 19 через первый элемент 17 задержки с постоянной времени τ₁. На выходах первого 16 и второго 19 перемножителей будут присутствовать сигналы соответственно
+cos2ω_ot-ω_oτ₁+ +
+sin2ω_ot-ω_oτ₁+ +
которые после прохождения первого 20 и второго 21 фильтров нижних частот
U₃= cos- + βτ₁t
U₄= sin- + βτ₁t поступают соответственно на первый и второй входы частотного детектора 22, в котором квадратурная составляющая U₄ подается на первый вход первого перемножителя 23, и синфазная составляющая U₃ поступает на первый вход второго перемножителя 25 непосредственно, а на вторые входы обоих перемножителей 23, 25 через элемент 24 задержки с постоянной времени τ₂. Сигналы с выходов 23 и 25 перемножителей
U₅= sin[βτ₁τ₂]+sin[2βτ₁t-βτ₁τ₂-βτ21

+2ω_oτ₁]
U₆= cos[βτ₁τ₂]+cos[2βτ₁t-βτ₁τ₂-βτ21+2ω_oτ₁] после прохождения первого 26 и второго 27 фильтров нижних частот
U₇= sin βτ₁τ₂
U₈= cos βτ₁τ₂ подаются на входы делителя 28 напряжения
U₉= tg βτ₁τ₂ напряжение с выхода которого через функциональный преобразователь 29, реализующий операцию arctg, поступает на первый выход частотного детектора 22:
U₁₀= arctg βτ₁τ₂= =
Напряжение с первого выхода частотного детектора 22 подается через весовой блок 32 с нормирующим множителем на второй вход индикатора 31, регистрирующего оценку скорости изменения частоты . Напряжение с первого выхода частотного детектора 22 подается также на вход формирователя 30 двухполярных импульсов с амплитудной характеристикой вида
U₁₁ 0,5(Sign[U₁₀ U₀] + 1) + 0,5(Sign[U₁₀ U₀) 1), где Sign(X) знаковая функция;
U₀ фиксированный уровень напряжения, формирующий окно в амплитудной характеристике -U₀ ÷+U₀, в пределах которого выходное напряжение формирователя 30 двухполярных импульсов равно нулю; величина напряжения U₀ выбирается исходя из минимального значения скорости измерения частоты β_min 0,0001 β_max; β_max максимальная ожидаемая величина скорости изменения частоты.

Если напряжение с первого выхода частотного детектора 22 U₁₀ > U₀, то на выходе формирователя 30 двухполярных импульсов вырабатывается единичный потенциал положительной полярности, а если U₁₀ < U₀, то единичный потенциал отрицательной полярности.

Напряжение с первого выхода частотного детектора 22 подается также на вход управителя 33, формирующего необходимые значения частоты и начальной фазы гармонического колебания, генерируемого синтезатором 34 частот, с первого выхода которого синфазная составляющая
U₁₂= cost- подается на вторые входы третьего 36 и шестого 37 перемножителей, на первые входы которых в одни и те же моменты времени поступают соответственно с второго выхода частотного детектора 22 синфазная составляющая
U₁(t-τ₂) cos- + βτ₁(t-τ₂) и с выхода второго фильтра нижних частот 21 через второй элемент 40 задержки квадратурная составляющая
U₃(t-τ₂) sin- + βτ₁(t-τ₂) а квадратурная составляющая с второго выхода синтезатора 34 частот
U₁₃= sint- подается на первый вход седьмого перемножителя 35, на второй вход которого поступает сигнал с выхода формирователя 30 двухполярных импульсов. Это необходимо для изменения знака квадратурной составляющей с второго выхода синтезатора 34 частот в соответствии со знаком скорости изменения частоты, что требуется для обеспечения работоспособности процедуры уменьшения динамической погрешности при различных знаках скорости изменения частоты, осуществляемой блоками 36-42. Сигнал с выхода седьмого перемножителя 35 подается на вторые входы четвертого 38 и пятого 39 перемножителей, на первые входы которых в одни и те же моменты времени поступает соответственно синфазная составляющая U₄(t τ₂) с второго выхода частотного детектора 22 и квадратурная составляющая U₃(t τ₂) с выхода второго элемента 40 задержки. Выходы третьего 36 и пятого 39, четвертого 38 и шестого 37 перемножителей подключены соответственно к входам сумматора 41 и вычитателя 42, напряжения на выходах которых имеют вид:
U₁₄= cos(t-τ₂)- + cost- -+
+ sin(t-τ₂)- + sint- -=
cos+(β-)τ₁(t-τ₂)-(β-)
U₁₅= sin(t-τ₂)- + cost- --
cos(t-τ₂)- + sint- -=
sin+(β-)τ₁(t-τ₂)-(β-)
Выходы сумматора 41 и вычитателя 42 подключены к входам делителя 43 напряжения, сигнал с выхода которого
U₁₆= tg+-(t-τ₂)- через функциональный преобразователь 44, осуществляющий операцию
U₁₇= arctg tg+-(t-τ₂)- =
+-t-τ₂- +-t-τ₂-
поступает на первый вход индикатора 31, где по напряжению, пропорциональному частоте, осуществляется регистрация оценки центральной частоты ЛЧМ сигнала.

Для исключения псевдооценок = и третий вход индикатора 31 соединен с третьим выходом обнаружителя 1, что позволяет производить регистрацию оценок и лишь при достоверном обнаружении сигнала.

Использование: радиотехника. Сущность изобретения: устройство содержит обнаружитель 1, включающий полосовые фильтры 2-4, амплитудные детекторы 5,8,9, делители напряжения 6,7, пороговые блоки 10,11, блок опорного напряжения 12, схему совпадений 13 м электронный ключ 14, нормирующее устройство 15, семь перемножителей 16,19,35-39, фильтры нижних частот (ФНЧ) 20,21, частотный детектор 22, включающий перемножители 2 3,25, ФНЧ 26,27, делитель напряжения 28, элемент задержки 24 и функциональный преобразователь 29, формирователь двухполярных импульсов 30, индикатор 31, весовой блок 32, управитель 33, синтезатор частот 34, элементы задержки 17,40, сумматор 41, вычитатель 42, делитель напряжения 43 и функциональный преобразователь 44. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЛИНЕЙНО-ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННОГО СИГНАЛА, содержащее обнаружитель, последовательно соединенные первый элемент задержки, первый перемножитель, первый фильтр нижних частот, частотный детектор и формирователь двухполярных импульсов, отличающееся тем, что введены нормирующее устройство, первый вход которого соединен с первым выходом обнаружителя, а второй с вторым выходом обнаружителя, вход которого является входом устройства, фазовращатель, вход которого объединен с входом первого элемента задержки и с первым входом первого перемножителя и соединен с выходом нормирующего устройства, а выход подключен к первому входу второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого элемента задержки, а выход через второй фильтр нижних частот подключен к второму входу частотного детектора, первый выход которого соединен через весовой блок с вторым входом индикатора, третий вход которого соединен с третьим выходом обнаружителя, первый выход частотного детектора соединен с входом управителя, два выхода которого подключены к соответствующим входам синтезатора частот, первый выход которого соединен с вторыми входами третьего и шестого перемножителей, а второй выход с первым входом седьмого перемножителя, второй вход которого подключен к выходу формирователя двухполярных импульсов, а выход соединен с вторыми входами четвертого и пятого перемножителей, к первым входам третьего и четвертого перемножителей подключен второй выход частотного детектора, а к первым входам пятого и шестого перемножителей через второй элемент задержки подключен выход второго фильтра нижних частот, выходы третьего и пятого перемножителей соединены с соответствующими входами сумматора, выходы четвертого и шестого перемножителей соединены с соответствующими входами вычитателя, выходы сумматора и вычитателя подключены к входам делителя напряжения, выход которого через функциональный преобразователь соединен с первым входом индикатора. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что обнаружитель состоит из первого, второго и третьего полосовых фильтров, входы которых объединены и являются входом обнаружителя, выход первого полосового фильтра является первым выходом обнаружителя и через первый амплитудный детектор соединен с первыми входами первого и второго делителей напряжения, вторые входы которых соответственно через второй и третий амплитудные детекторы подключены к выходам второго и третьего полосовых фильтров, а выходы подключены соответственно к первым входам первого и второго пороговых блоков, вторые входы которых соединены с выходом блока опорного напряжения, выходы первого и второго пороговых блоков подключены к входам схемы совпадения, выход которой является третьим выходом обнаружителя и соединен с вторым входом электронного ключа, первый вход которого подключен к выходу первого амплитудного детектора, а выход является вторым выходом обнаружителя. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что частотный детектор состоит из элемента задержки, вход которого объединен с первым входом второго перемножителя и является первым входом частотного детектора, первого перемножителя, первый вход которого является вторым входом частотного детектора, выход элемента задержки является вторым выходом частотного детектора и подключен к вторым входам первого и второго перемножителей, выходы которых соответственно через первый и второй фильтры нижних частот подключены к входам делителя напряжения, выход которого через функциональный преобразователь подключен к первому выходу частотного детектора.