СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЗАКОНА ПЕРЕСТРОЙКИ НЕСУЩЕЙ ЧАСТОТЫ РАДИОИМПУЛЬСОВ С ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ Российский патент 1999 года по МПК G01R23/00 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для измерения и контроля параметров радиоизлучений, определения вида принимаемых сигналов.

Для решения некоторых задач, например в радиоконтроле, необходимо обеспечить оценку и ввод в ЭВМ информации о законе внутриимпульсной частотной модуляции (ЧМ) в реальном (или близком к нему) масштабе времени (т.е. для каждого принятого радиоимпульса) для последующего использования этого параметра при идентификации и классификации сигналов.

Многообразие возможных законов изменения частоты в импульсе - линейные, нелинейные со степенной функцией частотной модуляции, составные [Ч. Кук, М. Бернфельд. Радиолокационые сигналы. Теория и применение. Пер. с англ. Под ред. М. Кельзона. М.: Сов. радио, 1971. - с. 347], позволяет считать закон важнейшим информационным параметром, обеспечивающим повышение вероятности идентификации источников излучения и классификации сигналов совместно с такими параметрами, как несущая частота (начальная или средняя), длительность импульса, период следования импульсов, девиация частоты и направление перестройки несущей частоты (от начального меньшего значения к конечному большему или наоборот).

Закон изменения частоты в радиоимпульсе может быть оценен по результатам измерения мгновенных значений несущей частоты f_i в дискретные моменты времени t_i, i = 1, 2, 3,..., n. Такие измерения обеспечивают, например, акусто-оптические измерители параметров сигналов [см., например, В.Н. Кочемасов, Е. В. Долбня, Н.В. Соболь. Акустоэлектронные Фурье - процессоры. - М.: Радио и связь, 1987. - с. 133; а.с. СССР N 1124431 H 03 J 7/32 Многоканальный панорамный приемник. - Официальный бюллетень. "Открытия. Изобретения", N 42, 1984; В. Н. Кочемасов. Применение дисперсионных Фурье - процессоров в разведывательных приемниках. - Зарубежная радиоэлектроника, N 2, 1987. - стр. 66-73]. Вместо измерения непосредственно мгновенных отсчетов частоты f_i могут измеряться, например, значения амплитуды A_i, сигнала с выхода частотного детектора, функционально зависящие от частоты.

Измерения мгновенных отсчетов частоты или амплитуды могут проводиться как вручную, так и автоматически. В радиоконтроле измерения и ввод измеренных значений в ЭВМ необходимо проводить автоматически в реальном масштабе времени.

После получения массива значений f_i необходимо провести построение функциональной зависимости f(t) закона изменения частоты в импульсе по дискретным значениям f_i каким-либо методом интерполяции, например, параболической [см., например, Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. - М.: Наука, 1967. - с. 574]. Таким образом, для получения оценки закона изменения частоты в импульсе требуется проведение дополнительных операций (сложение, деление и т.п.) с результатами измерения мгновенных отсчетов частоты.

Проведение таких операций в реальном масштабе времени с отсчетами несущей частоты f_i, поступающими с выхода измерителя с большой частотой следования и в большом объеме, а затем хранение в памяти функций f(t) в целях использования для классификации сигналов и идентификации источников излучения, затруднительно даже для высокопроизводительных ЭВМ, т.к. требует высокоскоростных устройств ввода информации, больших объемов оперативной и постоянной памяти, высокой скорости обработки информации.

Для обеспечения требуемого быстродействия оценки закона и уменьшения объема информации о законе изменения частоты в импульсе необходимо иметь оценку закона в виде одного или нескольких чисел.

Получение оценки закона в виде одного числа обеспечивают способы измерения нелинейных искажений закона изменения частоты ЧМ сигнала [Павленко Ю.Ф., Шпаньон П. А. Измерение параметров частотно-модулированных колебаний. - М.: Радио и связь, 1986. -c.118], например, методы измерения дифференциальной крутизны [там же, стр. 145], при которых мерой нелинейности является максимальное отклонение дифференциальной характеристики от горизонтали. Для измерения нелинейности ЧМ сигнал дополнительно модулируют напряжением "насадки". Затем исследуемый сигнал подают на приемник ЧМ сигналов, частоту сигнала "насадки" выделяют с помощью частотного детектора частот, и через амплитудный детектор и фильтр низкой частоты подают на осциллографический индикатор, по экрану которого измеряют дифференциальную крутизну, по величине которой судят о законе перестройки частоты, как величине отклонения от линейного закона.

Признаком аналога, совпадающим с признаком заявляемого технического решения, является измерение закона перестройки частоты радиоимпульса в виде одного числа - величины отклонения исследуемого закона изменения несущей частоты от линейного.

Недостатком известного способа является невозможность проведения измерения закона в реальном масштабе времени для сигналов с априорно неизвестными параметрами.

Причины, препятствующие достижению требуемого результата, состоят в необходимости дополнительной модуляции ЧМ сигнала, настройки селективных по частоте устройств на гармоники модулирующей частоты, т.е. априорного знания параметров исследуемого сигнала и визуальный съем измерительной информации, что приводит к невозможности применения данного способа измерения в реальном масштабе времени (по каждому радиоимпульсу).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ оценки нелинейности перестройки частоты генераторов качающейся частоты (ГКЧ) [ГОСТ 15166-73. Генераторы качающейся частоты диапазона частот от 1 МГц до 40 МГц. Типы. Основные параметры. Технические требования. Методы испытаний. ] . Способ заключается в следующем: в дискретные моменты времени t_i, i = 1, 2,..., k, измеряют значения несущей частоты сигнала f_i и строят график зависимости частоты f_i от времени t_i. Затем строят линейный график изменения несущей частоты от ее начального f_н (при i = 1 ) до конечного f_к (при i = k) значения; находят максимальное отклонение (разность) Δf_max измеренных значений несущей частоты f_i от значений частоты при ее линейной перестройке в точках t_i, и определяют нелинейность закона перестройки частоты по формуле:

где Δf_max(+), Δf_max(-) - значения максимального отклонения кривой f = ϕ(t) от прямой, соединяющей крайние точки этой кривой, положительного и отрицательного, соответственно (т.е. над прямой и под прямой).

f_н, f_к - начальное и конечное значения несущей частоты, МГц.

Недостатком этого способа является невозможность проведения измерений в реальном масштабе времени, т.к. требуется построение линейного графика зависимости перестройки частоты от f_н до f_к, нахождение отклонений частоты Δf от линейного в каждой измеренной точке, а затем выбор максимального отклонения частоты Δf_max, которое принимается за меру нелинейности.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в том, что для проведения измерения максимального значения отклонения частоты от линейной необходимо после проведения измерения всех значений частоты f_i, провести еще ряд операций: построить линейный график изменения частоты от f_н до f_к; сравнить значения f_i с соответствующими значениями частоты на линейном графике - вычислить отклонение частоты Δ f; выбрать максимальное значение отклонения. Все эти операции требуют затрат времени, что делает невозможным получение результата измерения в реальном масштабе времени.

Признаки прототипа, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: измерение несущей частоты в начале и в конце импульса, вычисление среднего значения несущей частоты, как среднего арифметического от значений несущей частоты в начале и в конце импульса.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в обеспечении проведения измерения закона перестройки частоты в импульсе в реальном масштабе времени (или близком к нему) при априорной неизвестности параметров ЧМ импульсов.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, позволяет проводить в реальном масштабе времени измерение закона изменения частоты в радиоимпульсе при ЧМ несущей частоты в виде одного числа при априорно неизвестных параметрах радиоимпульса, что обеспечивает возможность повышения быстродействия в два и более раза в зависимости от вида закона изменения частоты.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения закона перестройки несущей частоты в радиоимпульсах с частотной модуляцией, заключающемся в измерении несущей частоты в начале и в конце импульса, вычислении среднего значения несущей частоты, как среднего арифметического от значений несущей частоты в начале и в конце импульса, измеряется значение несущей частоты в середине импульса и сравнивается с вычисленным ранее средним значением несущей частоты, причем, если сравниваемые значения равны, то закон изменения частоты линейный, если не равны - то нелинейный, при этом, если измеренное значение больше вычисленного, то функция изменения частоты выпуклая, если меньше - то вогнутая.

Анализ существенных признаков прототипа и заявляемого объекта выявил следующие новые существенные признаки для заявляемого объекта:
- измерение значения несущей частоты в середине длительности измеряемого импульса;
- сравнение измеренной величины с вычисленным ранее средним значением несущей частоты.

Теоретическое доказательство наличия причинно-следственной связи совокупности заявляемых существенных признаков с указанным техническим результатом заключается в следующем.

Предлагаемый способ измерения закона внутриимпульсной ЧМ основан на измерении значения средней частоты ЧМ сигнала. На фиг. 1 показаны два закона перестройки несущей частоты в ЧМ радиоимпульсе, кривая а) - линейный закон, кривая б) - нелинейный. Частота изменяется от начального значения f_н до конечного f_к за время длительности импульса τ_и = t_к-t₀.
Для линейного закона изменения частоты в импульсе (ЛЧМ) среднее (среднеарифметическое) значение несущей частоты в импульсе равно
f_ср = 1/2(f_н + f_к)
Пусть обеспечено измерение частоты в равномерные дискретные моменты времени t_i, i = 1, 2,..., k. Рассмотрим значения несущей частоты в моменты времени t₀, t_ср и t_н, т.е. в начале, в середине и в конце импульса (см. фиг. 1). Измеренные значения частот равны f_н, f_ср1 и f_к (для кривой 1) и f_н, f_ср2 и f_к, (для кривой 2), соответственно. Определим значение f_ср по формуле (1) и проведем его сравнение с измеренными значениями f_ср1 и f_ср2. Сравнение можно проводить, или находя разность между этими значениями, или находя их отношение.

Очевидно, что для линейного закона изменения частоты (кривая 1)

Для нелинейного закона изменения частоты (кривая 2) f_ср≠f_ср2, причем f_ср2 > f_ср, что характерно для выпуклого закона измерения частоты (для вогнутого закона изменения частоты в импульсе было бы обратное соотношение), т.е.

Таким образом, сравнение среднего арифметического значения несущей частоты в импульсе со значением несущей частоты, измеренным в момент времени, равным половине длительности радиоимпульса, характеризует отклонение закона изменения частоты от линейного, т.е. обеспечивает измерение закона перестройки частоты в радиоимпульсе.

Покажем возможность измерения закона перестройки несущей частоты в импульсе по величине отклонения значений несущей частоты в середине импульса от среднеквадратического. Сигнал со степенной функцией частотной модуляции запишем в виде [Варакин Л.Е. Теория сложных сигналов. - М.: Сов. радио, 1970.- с.117]

где A - амплитуда импульса,
ω₀ - начальное значение несущей частоты,
Δω - девиация частоты в импульсе,
k - показатель степени,
τ_и - длительность импульса.

При этом закон изменения частоты в импульсе определяется выражением

Тогда для времени t = τ_и/2, подставляя это значение в выражение (4), получим значение частоты
- для линейного закона частотной модуляции

- для нелинейного закона частотной модуляции

Подставляя значения выражения (4) при t = 0 и t = τ_и (т.е. для начального и конечного значений несущей частоты) в выражение (1), получим среднеквадратическое значение несущей частоты в импульсе

Тогда величина отклонения для линейного закона изменения частоты в соответствии с (2) с учетом (5) и (7) равна

а для нелинейного закона частотной модуляции в соответствии с (3) с учетом (6) и (7) равна

Таким образом, для линейного закона изменения частоты в импульсе величина частотного отклонения равна нулю, а для нелинейного не равна нулю и может служить оценкой закона частотной модуляции.

По выражению (8) построен график зависимости величины частотного отклонения Δ₂ от значения показателя степени k, представленный на фиг. 2. Для расчетов девиация частоты Δω принималась равной 10 МГц, а k изменялось в пределах от 0 до 4 с шагом 0,1. Как видно из фиг.2, значения величины частотного отклонения обеспечивают однозначное измерение закона перестройки частоты в импульсе.

Учитывая, что основной характеристикой измерителей нелинейных искажений закона ЧМ является разрешающая способность [см., например, Павленко Ю.Ф., Шпаньон П. А. Измерение параметров частотно-модулированных колебаний. - М.: Радио и связь, 1986. - 208 с.], оценим разрешающую способность предлагаемого способа.

Погрешность Δ₁ определения f_ср по формуле (1) равна сумме погрешностей измерения мгновенной несущей частоты f_i
Δ₁ = 2Δ_f,
где Δ_f - погрешность измерения мгновенной частоты f_i, Δ_f = 0,5Δf_i, где Δf_i - дискретность измерения мгновенной несущей частоты f_i.

Погрешность определения f_ср1 или f_ср2 равна Необходимо также учесть погрешность из-за неопределенности выбора значения отсчета частоты, соответствующего половине длительности импульса τ_и/2, при четном и нечетном количестве отсчетов частоты f_i. Эта погрешность равна 2Δ_f, т.е.

Δ₂ = 3Δ_f.
Погрешность оценки закона по формуле (3) равна сумме погрешностей Δ₁ и Δ₂:
Δ = Δ₁+Δ₂ = 5Δ_f = 2,5Δf_i,
что и определит разрешающую способность способа оценки закона изменения частоты импульса.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показаны различные законы перестройки несущей частоты, на фиг.2 изображен график зависимости величины частотного отклонения от значения показателя степени, на фиг.3 приведен пример устройства, реализующего данный способ измерения закона перестройки частоты в импульсе с частотной модуляцией.

Способ измерения закона перестройки несущей частоты радиоимпульсов с частотной модуляцией заключается в измерении несущей частоты в начале и в конце радиоимпульса, а также в момент времени, соответствующий середине длительности радиоимпульса, в вычислении среднего значения несущей частоты, как разности конечного и начального значений измеренных частот и сравнении вычисленного среднего значения с измеренным в момент времени, соответствующий середине длительности радиоимпульса, причем если сравниваемые значения равны, то закон изменения частоты линейный, если не равны - то не линейный, при этом, если измеренное значение больше вычисленного, то функция изменения частоты выпуклая, а если меньше, то вогнутая.

Возможность осуществления способа измерения закона перестройки несущей частоты радиоимпульсов с частотной модуляцией поясняется примером описания способа как последовательности следующих действий:
1. Измеряют значение несущей частоты радиоимпульса f_i, в дискретные моменты времени t_i = n•Δt, где n = 1, 2, 3..., в течение длительности входного радиоимпульса;
2. Запоминают первое (начальное) значение f_н отсчета несущей частоты;
3. Запоминают последнее (конечное);
4. Запоминают все в порядке очередности значения отсчетов несущей частоты f_i;
5. Последнее значение f_k отсчета несущей частоты складывают с начальным значением f_н отсчета несущей частоты;
6. Полученную сумму (f_k + f_н) делят на два;
7. Результат деления (f_k + f_н) на два запоминают;
8. Считают количество тактовых импульсов за время длительности измеряемого радиоимпульса;
9. Делят это число (см.п.8) на два;
10. Запоминают его как адрес для выборки значения несущей частоты радиоимпульса, соответствующего середине длительности радиоимпульса;
11. В соответствии с полученным адресом определяют значение несущей частоты радиоимпульса;
12. Сравнивают полученное значение несущей частоты радиоимпульса (см.п. 11) с вычисленным ранее средним значением несущей частоты радиоимпульса (см. п. 7);
13. Результат сравнения имеет следующие значения: если сравниваемые значения равны, то закон изменения частоты линейный, если не равны - то нелинейный, при этом, если измеренное значение больше вычисленного, то функция изменения частоты выпуклая, а если меньше, то вогнутая.

Более подробно осуществление изобретения поясняется на примере устройства, реализующего способ, с помощью чертежей, где на фиг. 1 показаны различные законы перестройки несущей частоты, на фиг.2 изображен график зависимости величины частотного отклонения от значения показателя степени, на фиг.3 приведен пример устройства, реализующего данный способ измерения закона перестройки частоты в импульсе с частотной модуляцией.

Устройство содержит измеритель несущей частоты (ИНЧ) 1, амплитудный детектор (АД) 2, генератор тактовых импульсов (ГТИ) 3, первый регистр 4, второй регистр 5, сумматор 6, первый делитель на два 7, третий регистр 8, счетчик 9, второй делитель на два 10, устройство оперативной памяти 11, четвертый регистр 12, устройство сравнения 13.

Входом устройства являются соединенные входы ИНЧ 1 и АД 2. Выход АД 2 соединен со входом ГТИ 3, первый выход которого соединен с тактовым входом первого регистра 4, а второй с тактовым входом второго регистра 5 и тактовым входом измерителя частоты 1. Выход ИНЧ 1 соединен с последовательно соединенными первым регистром 4, сумматором 6, первым делителем на два 7, третьим регистром 8. Выход ИНЧ 1 соединен также со вторым входом сумматора 6 через второй регистр 5. Второй выход ГТИ 3 соединен также с последовательно соединенными счетчиком 9, вторым делителем на два 10, устройством оперативной памяти 11, четвертым регистром 12 и устройством сравнения 13, выходы которого являются выходами устройства. Второй выход ГТИ 3 соединен также с тактовым входом третьего регистра 8 и с тактовым входом четвертого регистра 12. Выход ИНЧ 1 соединен также с информационным входом устройства оперативной памяти 11. Выход третьего регистра 8 соединен со вторым входом устройства сравнения кодов 13.

Устройство работает следующим образом. Измеряемые импульсные радиосигналы с ЧМ несущей частотой подаются на вход устройства. ИНЧ 1 обеспечивает измерение значений несущей частоты радиоимпульса f_i в дискретные моменты времени t_i, i = 1, 2,... n, задаваемые ГТИ 3 в течение длительности входного радиоимпульса импульса, поступает с АД 2. С выхода ИНЧ 1 коды дискретных отсчетов частоты f_i поступают на вход первого регистра 4, в котором запоминается первое (начальное) значение отсчета несущей частоты f_н, а также на входы второго регистра 5, в котором запоминается последнее (конечное) значение отсчета несущей частоты f_k и устройства оперативной памяти 11, где запоминаются все в порядке очередности значения отсчетов несущей частоты f_i. Конечное значение несущей частоты f_k соответствующее последнему тактовому импульсу со второго выхода ГТИ 3 складывается с начальным значением f_н несущей частоты в сумматоре 6, полученная сумма делится на два в первом делителе на два 7 и записывается в регистре 8, как среднее значение несущей частоты для линейного закона перестройки частоты в импульсе. Счетчик 9 подсчитывает количество тактовых импульсов, поступивших с ГТИ 3 за время длительности измеряемого радиоимпульса, это число делится на два во втором делителе на два 10 и поступает как адрес для выборки значения несущей частоты, соответствующего половине длительности импульса. Это значение частоты поступает в регистр 12. Устройство сравнения 13 сравнивает значения частот и выдает результат сравнения на соответствующий выход, причем если сравниваемые значения равны, то закон изменения частоты линейный, если не равны - то нелинейный, при этом, если измеренное значение больше вычисленного, то функция изменения частоты выпуклая, а если меньше, то вогнутая.

Практическая реализуемость заявленного объекта не вызывает сомнений. Функциональные элементы заявленного объекта удовлетворяют критерию промышленного применения, так как могут быть выполнены, например, с использованием серийно выпускаемых интегральных микросхем, например, серий К553, К555, К1533 [Аванесян Г. Р., Левшин В.П. Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ. -М.: Машиностроение, 1993].

ИНЧ 1 может быть реализован по различным известным схемам, например, по схеме панорамного приемника на основе эффекта сжатия импульсов [Цурский Д.А. , Перетягин И. В. , Калюжный Н.М. Многоканальный панорамный приемник, а.с. СССР N 995285, H 03 J 7/32, опубл. 07.02.83 в официальном бюллетене "Открытия. Изобретения", N 5], или по схеме акустооптоэлектронного Фурье - процессора [Кочемасов В.Н., Долбня Е.В., Соболь Н.В. Акустооптоэлектронные Фурье-процессоры. - М.: Радио и связь, 1987, рис. 5.12 б, стр. 137].

АД 3 может быть выполнен на полупроводниковых диодах по схеме двухтактного диодного детектора [Справочник по учебному проектированию приемно-усилительных устройств. Под ред. Белкина М.К. - Киев, Выща школа, 1982, стр.212, рис. 8.7].

ГТИ 3 может быть реализован на микросхеме типа 533ЛАЗ, двух резисторах R1, R2, конденсаторе C1 и кварцевом резонаторе ZQ.

Счетчик 9 может быть реализован на микросхеме типа 533ИЕ5.

Регистры 4, 5, 8, 12 могут быть выполнены на микросхемах типа 533ИР23 (8-разрядный регистр с параллельным выходом).

Устройство сравнения кодов может быть реализована на микросхемах типа 530СП1. Устройство оперативной памяти может быть реализовано на микросхемах типа 533ИР23 или 533ИРЗО.

Делители на два 7 и 10 реализуются на универсальном сдвиговом регистре типа 533ИР29.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для измерения и контроля параметров радиоизлучений, определения вида принимаемых сигналов. Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в обеспечении проведения измерения закона перестройки частоты в импульсе в реальном масштабе времени (или близком к нему) при априорной неизвестности параметров ЧМ импульсов. Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, позволяет проводить в реальном масштабе времени измерение закона изменения частоты в радиоимпульсе при ЧМ несущей частоты в виде одного числа при априорно неизвестных параметрах радиоимпульса, что обеспечивает возможность повышения быстродействия в два и более раза в зависимости от вида закона изменения частоты. Технический результат достигается тем, что в способе измерения закона перестройки несущей частоты радиомпульсов с частотной модуляцией, заключающемся в измерении несущей частоты в начале и в конце импульса, вычислении среднего значения несущей частоты как среднего арифметического от значений несущей частоты в начале и в конце импульса, измеряется значение несущей частоты в середине длительности радиоимпульса и сравнивается с вычисленным ранее средним значением несущей частоты, причем если сравниваемые значения равны, то закон изменения частоты линейный, если не равны - то нелинейный, при этом если измеренное значение больше вычисленного, то функция изменения частоты выпуклая, если меньше - то вогнутая. 3 ил.

Способ измерения закона перестройки несущей частоты радиоимпульсов с частотной модуляцией, заключающийся в измерении несущей частоты в начале и в конце импульса, вычислении среднего значения несущей частоты как среднего арифметического от значений несущей частоты в начале и в конце импульса, отличающийся тем, что измеряют значение несущей частоты в момент времени, соответствующий середине длительности радиоимпульса, и сравнивают с вычисленным ранее средним значением несущей частоты, причем если сравниваемые значения равны, то закон изменения частоты линейный, если не равны - то нелинейный, при этом если измеренное значение больше вычисленного, то функция изменения частоты выпуклая, если меньше то вогнутая.