УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 1997 года по МПК G06K9/00 

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и может быть использовано для визуального анализа амплитудного спектра информационных сигналов и определения вида их модуляции.

Известны устройства для распознавания информационных сигналов (авт. св. NN 1370594, 1536508, 1580569, 1765894, 1790031, 1789996 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является "Устройство для распознавания информационных сигналов" (авт. св. N 1789996, кл. G 06 K 9/00, 1990), которое и выбрано в качестве прототипа. Указанное устройство обеспечивает визуальный анализ амплитудного спектра информационных сигналов и определение вида и модуляции. Причем в качестве признаков распознавания используются деформации амплитудного спектра принимаемого информационного сигнала при умножении его фазы на два, четыре и восемь. Признаком распознавания информационных сигналов с частотной модуляцией (ЧМ) является увеличение ширины амплитудного спектра принимаемого ЧМ сигнала в два, четыре и восемь раз при умножении его фазы в два, четыре и восемь раз. Среди указанных сигналов широкое распространение получили сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) с возрастающим законом изменения частоты, с убывающим законом изменения частоты, с симметричным V-образным законом изменения частоты, с симметричным Λ-образным законом изменения частоты и сигналы с нелинейными законами частотной модуляции.

Однако известное устройство, выбранное в качестве прототипа, не обеспечивает возможности для визуального определения вида частотной модуляции.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем визуального определения вида частотной модуляции принимаемого информационного сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее последовательно включенные блок приема и усиления сигнала, первый-третий удвоители фазы сигнала, а также последовательно оптически связанные источник излучения, коллиматор, первый модулятор излучения, управляющий вход которого соединен с выходом блока приема и усиления сигнала, второй модулятор излучения, управляющий вход которого соединен с выходом первого удвоителя фазы сигнала, третий модулятор излучения, управляющий вход которого соединен с выходом второго удвоителя фазы сигнала, и четвертый модулятор излучения, управляющий вход которого соединен с выходом третьего удвоителя фазы сигнала, при этом i-ым модулятором излучения (i= 1,2,3,4) оптически связан i-й объектив, в фокальной плоскости которого размещен i-й фотоприемник, выход которого является i-м информационным выходом устройства, введены линия задержки, включатель, пятый и шестой модуляторы излучения, пятый объектив и пятый фотоприемник, причем на пути распространения пучка света источника излучения установлен пятый модулятор излучения, управляющий вход которого соединен с выходом блока приема и усиления сигнала, на пути распространения дифрагируемым пятым модулятором излучения пучка света ортогонально установлен шестой модулятор излучения, управляющий вход которого через последовательно включенные линию задержки и выключатель соединен с выходом блока приема и усиления сигнала, на пути распространения дифрагируемого шестым модулятором излучения пучка света установлен пятый объектив, в фокальной плоскости которого размещен пятый фотоприемник, выход которого является пятым информационным выходом устройства.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 закон перемещения точки M в плоскости x, y для различных ЧМ-сигналов; на фиг.3 схема взаимного расположения символьных частот сигналов с многократной частотной манипуляцией; на фиг.4 закон изменения фазы ЧМн-сигнала; на фиг.5 вид возможных осциллограмм.

Устройство для распознавания информационных сигналов содержит антенну 1, гетеродин 2, смеситель 3, усилитель 4 промежуточной частоты, первый 5, второй 6 и тертий 7 удвоители фазы сигнала, источник 8 излучения, коллиматор 9, первый 10, второй 11, третий 12 и четвертый 13, пятый и шестой 30 модуляторы излучения, первый 14, второй 15, третий 16, четвертый 17 и пятый 31 объективы, первый 18, второй 19, третий 20, четвертый 21 и пятый 32 фотоприемники, первый 22, второй 23, третий 24, четвертый 25 и пятый 33 блоки индикации, блок 26 приема и усиления сигнала, линию 27 задержки и выключатель 28. Причем к выходу антенны 1 последовательно подключены смеситель 3, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 2, усилитель 4 промежуточной частоты, первый 5 третий 7 удвоители фазы сигнала. На пути распространения пучка света источника 8 излучения последовательно установлены коллиматор 9, первый модулятор 10 излучения, управляющий вход (пьезоэлектрический преобразователь) которого соединен с выходом блока 26 приема и усиления сигнала, второй модулятор 11 излучения, управляющий вход которого соединен с выходом первого удвоителя 5 фазы сигнала, третий модулятор 12 излучения, управляющий вход которого соединен с выходом второго удвоителя 6 фазы сигнала, четвертый модулятор 13 излучения, управляющий вход которого соединен с выходом третьего удвоителя 7 фазы сигнала, и пятый модулятор 29 излучения, управляющий вход которого соединен с выходом блока 26 приема и усиления сигнала. На пути распространения дифрагированной i-ым модулятором 10 (11-13) излучения части пучка света установлен объектив 14 (15-17), в фокальной плоскости которого размещен фотоприемник 18 (19-21), к выходу которого подключен блок 22 (23-25) индикации. На пути распространения дифрагированной модулятором 29 излучения части пучка света установлен модулятор 30 излучения, управляющий вход которого через последовательно включенные линию 27 задержки и выключатель 28 соединен с выходом блока 26 приема и усиления сигнала. На пути распространения дифрагированной модулятором 30 излучения части пучка света установлен объектив 31, в фокальной плоскости которого размещен фотоприемник 32, к выходу которого подключен блок 33 индикации. Антенна 1, гетеродин 2, смеситель 3 и усилитель 4 промежуточной частоты образуют блок 26 приема и усиления сигнала. В качестве источника 8 излучения используется лазер. В качестве модуляторов 10-13, 29 и 30 излучения используется ячейки Брэгга. В качестве объективов 14-17, 31 используются линзы. В качестве блоков 22-25, 33 индикации используются осциллографические индикаторы.

Определение вида частотной модуляции основано на двухкоординатной акустооптической обработке принимаемого ЧМ сигнала.

Устройство работает следующим образом.

Если на вход устройства поступает информационный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн) то его аналитически можно записать следующим образом:

где U_c, f_c, Φ_c, T_c амплитуда, начальная частота, начальная фаза и длительность сигнала;
Φ_к(t) манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции, причем Φ_к(t)=const при kτ_и < t < (k+1)τ_и и может изменяться скачком при t = kτ_и, т.е. на границах между элементарными посылками (K=1,2.N-1);
τ_и, N длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_c(T_c=N•τ_и).

Если на одной несущей частоте дискретная информация передается от одного источника сообщения, то целесообразно использовать однократную (бинарную) фазовую манипуляцию [ФМн-2, Φ_к(t)=0,π]. Для передачи сообщений от двух источников используется двухкратная фазовая манипуляция . Причем от одного источника фаза манипулируется по закону O-n, а от другого по закону . Для передачи сообщений от четырех источников используется трехкратная фазовая манипуляция .

В общем случае на одной несущей частоте одновременно можно передавать сообщения от η источников, используя для этого n-кратную фазовую манипуляцию. Однако целесообразным являются одно-, двух- и трехкратная фазовые манипуляции, которые и нашли широкое применение на практике. Дальнейшее повышение кратности фазовой манипуляции ограничивается тем, что уменьшается расстояние между элементарными сигналами и в существенной мере снижается помехоустойчивость канала связи.

Принимаемый ФМн-2 сигнал с выхода антенны 1 поступает на первый вход смесителя 3, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 2:
U_г(t) = U_г•cos(2πf_гt+Φ_г),
где U_r, f_r, Φ_г амплитуда, частота и начальная фаза напряжения гетеродина.

На выходе смесителя 3 образуются напряжения комбинационных частот.

Усилителем 4 выделяется напряжение только промежуточной (разностной) частоты

где
K коэффициент передачи смесителя;
f_пр f_c f_г промежуточная частота;
Φ_пр = Φ_с- Φ_г промежуточная начальная фаза;
которое последовательно поступает на входы умножителей 5, 6 и 7 фазы на два. На выходах последних образуются напряжения:

Так как то в указанных колебаниях фазовая манипуляция уже отсутствует.

Оптический сигнал формируется с помощью лазера 8 и коллиматора 9. Пространственная модуляция оптического сигнала информационным сигналом U_пр(t) и его гармониками , , осуществляется с помощью ячеек Брэгга 10-13, 29, 30 соответственно. Каждая ячейка Брэгга состоит из звукопровода и возбуждающей гиперзвук пьезоэлектрической пластины (пьезоэлектрического преобразователя), выполненной из кристалла ниобита лития соответственно X и Y-35^o среза. Это обеспечивает автоматическую подстройку по углу Брэгга и работу ячейки в широком диапазоне частот.

Напряжения U_пр(t), , и с выхода усилителя 4 промежуточной частоты и умножителей 5, 6 и 7 фазы на два поступают на пьезоэлектрические преобразователи ячеек Брэгга 10-13. Ячейки Брэгга располагаются таким образом, чтобы сколлимированный оптический сигнал проходил через две ячейки Брэгга. Пьезоэлектрические преобразователи преобразуют информационный сигнал U_пр(t) и его гармоники , и в ультразвуковые колебания.

Сколлимированный оптический сигнал, проходя ячейки Брэгга 10-13, 29, дифрагирует на акустических колебаниях, возбужденных сигналом U_пр(t) и его гармониками , , . На пути распространения каждого дифрагированного пучка света установлена линза 14 (15, 16, 17), в фокальной плоскости которой размещен фотоприемник 18 (19, 20, 21), к выходу которого подключен осциллографический индикатор 22 (23, 24, 25).

Ширина спектра Δf_c ФМн-2 сигнала определяется длительностью τ_и его элементарных посылок (Δf_c= 1/τ_и). Тогда как ширина спектра второй Δf₂, четвертой Δf₄ и восьмой Δf₈ гармоник сигнала определяется длительностью T_с сигнала (Δf₂= Δf₄= Δf₈= 1/T_c).

Следовательно, при умножении фазы на два, четыре и восемь спектр ФМн-2 сигнала "сворачивается" в N раз и трансформируется в одиночные спектральные составляющие. Это обстоятельство и является признаком распознавания ФМн-2 сигнала. Амплитудные спектры принимаемого ФМн-2 сигнала и его гармонических составляющихся наблюдаются на экранах индикаторов 22-25 (фиг.5, а).

Если на вход устройства поступает информационный сигнал с двухкратной фазовой манипуляцией , то на выходе умножителя 5 фазы на два образуется ФМн-2 сигнал [Φ_к(t)=0,π,2π,3π], а на выходе умножителей 6 и 7 на два образуются соответствующие гармоники колебаний и . В этом случае на экранах индикаторов 22 и 23 наблюдаются амплитудные спектры ФМн-4 и ФМн-2 сигналов, а на экранах индикаторов 24 и 25 наблюдаются одиночные спектральные составляющие (фиг.5, б).

Если на вход устройства поступает ФМн-8 сигнал , то на выходах умножителей 5 и 6 фазы на два образуются ФМн-4 и ФМн-2 сигналы, а на выходе умножителя 7 фазы на два образуется гармоническое колебание . В этом случае на экранах индикаторов 22, 23 и 24 наблюдаются амплитудные спектры ФМн-8, ФМн-4 и ФМн-2 сигналов, а на экране индикатора 25 наблюдается одиночная спектральная составляющая (фиг.5, в). Именно такая ситуация характерна для ФМн-8 сигнала.

Среди информационных сигналов с частотной манипуляцией (ЧМн) широкое распространение получили сигналы с минимальной частотной манипуляцией (ЧМн-2), с дуобинарной частотной манипуляцией (ФЧМн-3) и со скругленной частотной манипуляцией (ЧМн-5) (фиг.3).

Сложный ЧМн-2 сигнал аналитически описывается выражением:
,
где Φ(t) изменяющаяся во времени фазовая функция (фиг.4);
средняя частота сигнала;
частота сигнала, соответствующая символу "-1";
частота сигнала, соответствующая символу "+1";
Фазовая функция Φ(t) может быть представлена выражением
,
где b_k последовательность информационных символов-1, +1}
h 1/2 индекс девиации частоты;

Фазовая функция на каждом символьном интервале τ_и изменяется во времени линейно. За время одного символьного интервала набег фазы равен ± п/2.

Если на вход устройства поступает ЧМн-2 сигнал, то на выходе умножителя 5 фазы на два образуется ЧМн сигнал с индексом девиации частоты h 1. При этом его амплитудный спектр трансформируется в две спектральные составляющие на частотах 2f₁ и 2f₂. На выходах умножителей 6 и 7 фазы на два образуются две спектральные составляющие на частотах 4f₁, 4f₂ и 8f₁ и 8f₂ соответственно (фиг.5, г).

Если на вход устройства поступает ЧМн-3 сигнал, то на выходах умножителей 6 и 7 фазы на два образуются три спектральные составляющие на частотах 4f₁, 4f_ср, 4f₂ и 8f₁, 8f_ср, 8f₂, т.е. сплошной спектр трансформируется в три спектральные составляющие (фиг.2, д). На выходе умножителя 5 фазы на два амплитудный спектр ЧМн-3 сигнала трансформируется в другой сплошной спектр, поскольку h<1.

Таким образом, на экранах индикаторов 22 и 23 будут наблюдаться сплошные амплитудные спектры (фиг.5, д).

Если на вход устройства поступает ЧМн-5 сигнал, то на выходе умножителя 7 фазы на два его сплошной спектр трансформируется в пять спектральных лепестков с пиковыми значениями на частотах 8f₁, 8f₃, 8f_ср, 8f₄ и 8f₂. На выходах умножителей 5 и 6 фазы на два сплошной спектр ЧМн-5 сигнала трансформируется в другие сплошные амплитудные спектры, так как в этом случае h<1. Таким образом, на экранах индикаторов 22, 23 и 24 будут наблюдаться сплошные амплитудные спектры, а на экране индикатора 25 - пять сплошных лепестков (фиг. 2, е). Именно такая ситуация и является признаком распознавания ЧМн-5 сигнала.

Если на вход устройства поступает сигнал с частотной модуляцией (ЧМ)
,
где скорость изменения частоты внутри импульса;
Δf_∂ девиация частоты;
то преобразователем частоты он переносится на промежуточную частоту
,
Напряжение U_пр(t) выделяется усилителем 4 промежуточной частоты и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 10 и на вход умножителя 5 фазы на два, на выходе которого образуется ЧМ сигнал:
,
который поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 11. Так как длительность T_с ЧМ сигнала на основной и удвоенной промежуточной частоте одинакова, то увеличение γ в два раза происходит за счет увеличения в 2 раза девиации частоты Df_∂. Из этого следует, что ширина спектра ЧМ сигнала на удвоенной промежуточной частоте в два раза больше его ширины на основной промежуточной частоте (Δf₂= 2Δf₁).

Аналогично на выходах умножителей 6 и 7 фазы на два ширина спектра ЧМ сигнала увеличивается в 4 и 8 раз. Следовательно, наблюдается и анализируется спектр ЧМ сигнала, а на экранах индикаторов 23, 24 и 25 наблюдаются амплитудные спектры ЧМ сигналов, ширина которых в два, четыре и восемь раз больше ширины спектра исходного ЧМ сигнала (Δf₂=2Δf_c, Δf₄=4Δf_c,Δf₈=8Δf_c) (фиг. 5, ж). Это обстоятельство и является признаком распознавания ЧМ сигнала.

Для определения вида частотной модуляции используется двухкоординатная акустооптическая обработка принимаемого сигнала. Сущность такой обработки заключается в том, что пучок света проходит через две ортогонально расположенные ячейки Брэгга 29 и 30, на пьезоэлектрические преобразователи которых подаются напряжения:

где τ_з время задержки линии 27.

При появлении на экранах индикаторов 22-25 картины, изображенной на фиг. 5, ж, оператором включается выключатель 28. При этом на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 30 подается напряжение U_пр(t-τ_з) с выхода линии 27 задержки.

В этом случае точка М пересечения дважды дифрагированного пучка света с плоскостью фотоприемника 32 (плоскость X, Y) одновременно перемещается как по координате X, так и по координате Y. Причем точка М перемещается по координате по закону
x Af(t),
а по координате Y по закону
y=B•f(t-τ_з),,
где A и B постоянные, определяемые параметрами акустооптических трактов по координатам X и Y соответственно;
f(t)=f_пр+γt.
Раскладывая f(t-τ_з) в ряд Тейлора, управление траектории перемещения точки М будет определяться следующим образом:

При τ_з > 0 в уравнении траектории содержится полная информация о внутриимпульсной модуляции принимаемого сигнала в любой момент времени.

Если на вход устройства поступает информационный сигнал с линейной частотой модуляции (ЛЧМ) (j=2), то уравнение траектории точки М представляется собой прямую линию (фиг.2, а)

При нелинейном изменении частоты внутри импульса (j ≠ 2) уравнение траектории точки М будет отличаться от прямой линии (фиг.2, б).

Наряду с классификацией ЧМ сигналов по траектории перемещения точки М возможна также визуальная оценка основных параметров внутриимпульсной модуляции принимаемого ЧМ сигнала.

Следовательно, двухкоординатная акустооптическая обработка принимаемого ЧМ сигнала выполняет функцию частотного демодулятора. При этом по характеру осциллограмм на экране 33 определяется закон частотной модуляции (фиг.5, з).

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает возможность для визуального определения вида частотной модуляции. Это достигается двухкоординатной акустической обработкой принимаемого ЧМ сигнала. Тем самым функциональные возможности устройства расширены.

Предлагаемое устройство относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для визуального анализа амплитудного спектра информационных сигналов и определения вида их модуляции. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем визуального определения вида частотной модуляции принимаемого информационного сигнала. Устройство содержит антенну 1, гетеродин 2, смеситель 3, усилитель 4 промежуточной частоты, первый 5, второй 6 и третий 7 удвоители фазы сигнала, источник 8 излучения, коллиматор 9, первый 10, второй 11, третий 12 и четвертый 13 модуляторы излучения, первый 14, второй 15, третий 16 и четвертый 17 объективы, первый 18, второй 19, третий 20 и четвертый 21 фотоприемники, первый 21, второй 23, третий 24 и четвертый 25 индикаторы, блок 26 приема и усиления сигнала, линию 27 задержки, выключатель 28, пятый 29 и шестой 30 модуляторы излучения, пятый объектив 31, пятый фотоприемник 32 и пятый индикатор 33. В качестве источника 8 излучения используется лазер. В качестве модуляторов 10-13, 29, 30 излучения используется ячейки Брэгга. В качестве объективов 14-17, 31 используются линзы. В качестве индикаторов 22-25, 33 используются осциллографические индикаторы. 5 ил.

Устройство для распознавания информационных сигналов, содержащее последовательно включенные блок приема и усиления сигнала и первый третий удвоители фазы сигнала, а также последовательно оптически связанные источник излучения, коллиматор, первый модулятор излучения, управляющий вход которого соединен с выходом блока приема и усиления сигнала, второй модулятор излучения, управляющий вход которого соединен с выходом первого удвоителя фазы сигнала, третий модулятор излучения, управляющий вход которого соединен с выходом второго удвоителя фазы сигнала, и четвертый модулятор излучения, управляющий вход которого соединен с выходом третьего удвоителя фазы сигнала, при этом с i-м модулятором излучения (i 1, 2, 3, 4) оптически связан i-й объектив, в фокальной плоскости которого размещен i-й фотоприемник, выход которого является i-м информационным выходом устройства, отличающееся тем, что в него введены линия задержки, выключатель, пятый и шестой модуляторы излучения, пятый объектив и пятый фотоприемник, причем на пути распространения пучка света источника излучения установлен пятый модулятор излучения, управляющий вход которого соединен с выходом блока приема и усиления сигнала, а на пути распространения диафрагируемого пятым модулятором излучения пучка света ортогонально установлен шестой модулятор излучения, управляющий вход которого через последовательно включенные линию задержки и выключатель соединен с выходом блока приема и усиления сигнала, на пути распространения дифрагируемого шестым модулятором излучения пучка света установлен пятый объектив, в фокальной плоскости которого размещен пятый фотоприемник, выход которого является пятым информационным выходом устройства.