УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 2001 года по МПК G06K9/00 

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

Известны устройства для распознавания информационных сигналов (авт. свид. СССР NN 997.244, 1.053.293, 1.069.149, 1.185.359, 1.193.819, 1.328.829, 1.400.441, 1.401.615, 1.417.195, 1.536.508, 1.580.569, 1.765.894, 1.789.996; патенты РФ NN 2.013.002, 2.044.407, 2.080.65 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является "Устройство для распознавания информационных сигналов" (авт. свид. СССР N 1.789.996, G 06 K 9/00, 1990 г.), которое и выбрано в качестве прототипа.

Указанное устройство обеспечивает достоверное визуальное распознавание вида модуляции принимаемого информационного сигнала с большой базой. Это достигается путем использования в качестве признаков распознавания амплитудного спектра и его деформации при умножении фазы принимаемого сигнала на два, четыре и восемь. При этом, если на вход устройства поступает сложный сигнал с частотной модуляцией, то его ширина спектра на выходах умножителей фазы на два, четыре и восемь увеличивается в два, четыре и восемь раз соответственно. Визуально наблюдая спектр ЧМ-сигнала и его гармоник на экранах осциллографических индикаторов по указанному изменению ширины спектра, принимается решение о распознавании сложного ЧМ-сигнала. Среди указанных сигналов наибольшее распространение нашли сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), с симметричной частотной модуляцией (СЛЧМ) и с квадратичной частотной модуляцией (КЧМ).

Однако известное устройство не обеспечивает возможности для определения вида частотной модуляции принимаемого информационного сигнала.

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

Поставленная задача решается тем, что в устройство для распознавания информационных сигналов, содержащее последовательно включенные блоки приема и усиления сигнала, первый, второй и третий удвоители фазы сигнала, а также последовательно установленные на одной оптической оси источник излучения, коллиматор, первый, второй, третий и четвертый модуляторы излучения, управляющие входы которых соединены с выходами блока приема и усиления, первого второго и третьего удвоителей фазы сигнала соответственно, на пути распространения дифрагированных модуляторами излучения пучков света установлены первый, второй, третий и четвертый объективы, в фокальной плоскости которых размещены первый, второй, третий и четвертый фотоприемники, выходы которых являются первым, вторым, третьим и четвертым информационными выходами устройства соответственно, введены выключатель, пятый модулятор излучения, пятый объектив, пятый фотоприемник, две диафрагмы и оптический клин, причем на оптической оси установлен пятый модулятор излучения, управляющий вход которого через выключатель соединен с выходом блока приема и усиления сигнала, на пути распространения дифрагированного пятым модулятором излучения пучка света последовательно установлены первая диафрагма, пятый объектив и вторая диафрагма, в фокальной плоскости пятого объектива размещены оптический клин и пятый фотоприемник, выход которого является пятым информационным выходом устройства.

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 1; взаимное расположение символьных частот сигналов с многократной частотной манипуляцией (ЧМн) показано на фиг. 2; закон изменения фазовой функции ЧМн-сигнала изображен на фиг.3; вид возможных осциллограмм показан на фиг. 4.

Устройство для распознавания информационных сигналов содержит последовательно включенные приемную антенну 1, смеситель 3, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 2, усилитель 4 промежуточной частоты, первый умножитель 5 фазы на два, второй умножитель 6 фазы на два и третий умножитель 7 фазы на два. На пути распространения оптического сигнала источника 8 излучения, сколлимированного коллиматором 9, последовательно установлены модуляторы излучения 10 - 13, 28, управляющие входы которых соединены с выходами блока 26 приема и усиления сигнала, умножителей 5 - 6 фазы на два соответственно. На пути распространения каждого дифрагированнного 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), на пути распространения дифрагированного модулятора 28 света последовательно установлены первая диафрагма 29, линза 30 и вторая диафрагма 31. В фокальной плоскости линзы 30 установлены оптический клин 32 и фотоприемник 33, к выходу которого подключен осциллографический индикатор 34. Приемная 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, 28 излучения используются ячейки Брэгга.

Распознавание информационных сигналов с большой базой основано на получении и анализе их амплитудных спектров. Причем в качестве признаков распознавания используются деформации амплитудного спектра принимаемого информационного сигнала при умножении его фазы на два, четыре и восемь.

Распознавание информационных сигналов с частотной модуляцией основано на использовании ячейки Брэгга, линзы, двух диафрагм и оптического клина, выполняющих роль акустооптического частотного демодулятора.

Устройство работает следующим образом.

Если на вход устройства поступает информационный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн), то его аналитически можно записать следующим образом:
U_c (t) = U_c•cos[2πf_ct+Φ_к(t)+Φ_c],0≅t≅T_c,
где U_c,f_c,Φ_к,T_c - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала;
Φ_к(t) - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции, причем Φ_к(t) = const при кτ_u<t<(k+l)τ_u и может измениться скачком при t = кτ_u, т.е. на границах между элементарными посылками (k = 1,2,.. .N-1);
τ_u,N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_c(T_c = Nτ_u).
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 двукратная фазовая манипуляция [ФМн-4, Φ_к(t) = 0,π/2,π,3π/2]. Причем от одного источника фаза манипулируется по закону 0-π, а от другого по закону π/2-3π/2. Для передачи сообщений от трех источников используется трехкратная фазовая манипуляция
В общем случае на одной несущей частоте одновременно можно передать сообщения от n источников, используя для этого n-кратную фазовую манипуляцию. Однако целесообразно 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 приемной 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_г,f_г,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.

U_пр(t) = U_пр•cos(2πf_прt+Φ_к(t)+Φ_пр),0≅t≅T_c,
где U_пр = 1/2KU_cU_г; Φ_к(t) = 0,π;
K - коэффициент передачи смесителя;
f_пр = f_с - f_г - промежуточная частота;
Φ_пр = Φ_c-Φ_г - промежуточная начальная фаза;
которое последовательно поступает на входы умножителей 5, 6 и 7 фазы на два. На выходах последних образуются напряжения:
U₁(t) = U_пр•cos(4πf_прt+2Φ_пр),
U₂(t) = U_пр•cos(8πf_прt+4Φ_пр),
U₃(t) = U_пр•cos(16πf_прt+8Φ_пр),0≅t≅T_c.
Так как 2Φ_к(t) = 0,2π; 4Φ_к(t) = 0,4π; 8Φ_к(t) = 0,8π, 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 U₁(t), U₂(t), U₃(t) осуществляется с помощью ячеек Брэгга 10 - 13 соответственно. Каждая ячейка Брэгга состоит из звукопровода и возбуждающей гиперзвук пьезоэлектрической пластины (пьезоэлектрического преобразователя), выполненной из кристалла ниобата 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), U₁(t), U₂(t) и U₃(t) 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 сколллимированный оптический сигнал проходил через все ячейки Брэгга. Пьезоэлектрические преобразователи преобразуют информационный сигнал U_пр(t) и его гармоники U₁(t), U₂(t), U₃(t) в звуковые колебания. Сколлимированный оптический сигнал, проходя ячейки Брэгга 10 - 13, дифрагирует на акустических колебаниях, возбужденных сигналом U_пр(t) и его гармониками U₁(t), U₂(t), U₃(t). Следует отметить, что на каждой ячейке Брэгга дифрагирует только приблизительно 1/10 часть сколлимированного пучка света. 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 индикатор 22 (23, 24, 25), в качестве которого может быть использован осциллографический индикатор.

Ширина спектра Δf_c ФМн-2 сигнала определяется длительностью τ_u и его элементарных посылок (Δf_c = 1/τ_u). 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 (Δf_c/Δf₂ = Δf_c/Δf₄ = Δf_c/Δf₈ = N) и трансформируется в одиночные спектральные составляющие. Это обстоятельство и является признаком распознавания ФМн-2 сигнала. Амплитудные спектры принимаемого ФМн-2 сигнала и его гармонических составляющих наблюдаются на экранах осциллографических индикаторов 22 - 25 (фиг. 4, а).

Если на вход устройства поступает информационный сигнал с двукратной фазовой манипуляцией [ФМн-4, Φ_к(t) = 0,π/2,π,3π/2], 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 фазы на два образуются соответствующие гармонические колебания U₂(t) и U₃(t). 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. 4,б).

Если на вход устройства поступает ФМн-8 сигнал [Φ_к(t) = 0,π/4,π/2,3π/4,π,5π/4,3π/2,7π/4], 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 U₃(t). 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. 4, 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 дуодинарной частотной манипуляцией (ЧМн-3) и со скругленной частотной манипуляцией (ЧМн-5) (фиг. 2).

Сложный ЧМн-2 сигнал аналитически описывается выражением
U_c (t) = U_c•cos[2πf_cрt+Φ(t)+Φ_c],0≅t≅T_c,
где Φ(t) - изменяющаяся во времени фазовая функция (фиг. 3);
f_ср = (f₁ + f₂)/2 - средняя частота сигнала;
f₁ = f_ср-1/4τ_u - частота сигнала, соответствующая символу "-1";
f₂ = f_ср+1/4τ_u/ - частота сигнала, соответствующая символу "+1".

Фазовая функция Φ (t) может быть представлена выражением

где E_k - последовательность информационных символов {-1,1};
h = 1/2 - индекс девиации частоты;

Фазовая функция на каждом символьном интервале τ_u изменяется во времени линейно. За время одного символьного интервала набег фазы равен ±π/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, 8f₂ соответственно (фиг. 4, 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. 4, г). На выходе умножителя 5 фазы на два амплитудный спектр ЧМн-3 сигнала трансформируется в другой спектр, поскольку h < 1.

Таким образом, на экранах индикаторов 22 и 23 будут наблюдаться сплошные амплитудные спектры (фиг. 4, 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 спектральных лепестков (фиг. 4, е), Именно такая ситуация и является признаком распознавания ЧМн-5 сигнала.

Если на вход устройства поступает сигнал с частотной модуляцией (ЧМ)
U_c(t) = U_c•cos(2πf_ct+πγt^j+Φ_c),0≅t≅T_c,
где U_c,f_c,Φ_c,T_c - амплитуда, начальная частота, начальная фаза и длительность сигнала;
- скорость изменения частоты внутри импульса;
Δf_д - девиация частоты;
j - 1, 2, 3, ...,
то преобразователем частоты он переносится на промежуточную частоту.

U_пр(t) = U_пр•cos(2πf_прt+πγt^j+Φ_пр),0≅t≅T_c.
Напряжение U_пр(t) выделяется усилителем 4 промежуточной частоты и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 10 и на вход умножителя фазы на два, на выходе которого образуется ЧМ-сигнал
U_пр1(t) = U_пр1•cos(4πf_прt+2πγt^j+2Φ_пр),0≅t≅T_c.
который поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 11. Так как длительность T₀ ЧМ-сигнала на основной f_пр и удвоенной 2f_пр промежуточных частотах одинакова, то увеличение γ в 2 раза происходит за счет увеличения в 2 раза девиации частота Δf_д.

Из этого следует, что ширина спектра ЧМ-сигнала на удвоенной промежуточной частоте в 2 раза больше его ширины спектра на основной промежуточной частоте (Δf₂ = 2Δf_c). Аналогично на выходах умножителей 6 и 7 фазы на два ширина спектра ЧМ-сигнала увеличивается в 4 и 8 раз (Δf₄ = 4Δf_c,Δf₈ = 8Δf_c).
Следовательно, на экране индикатора 22 визуально наблюдается и анализируется амплитудный спектр ЧМ-сигнала, а на экранах индикаторов 23, 24 и 25 наблюдаются амплитудные спектры ЧМ-сигналов, ширина спектра которых в 2, 4 и 8 раз больше ширины спектра исходного сигнала (фиг. 4, ж). Это обстоятельство и является признаком распознавания ЧМ-сигналов.

Для распознавания вида частотной модуляции оператором замыкается ключ 27. При этом напряжение U_пр(t) с выхода усилителя 4 промежуточной частоты одновременно проступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 28. На пути распространения дифрагированного пучка света последовательно установлены диафрагма 29, линза 30 и диафрагма 31. В фокальной плоскости линзы 30 размещены оптический клин 32 и фотоприемник 33. Оптический клин 32 представляет собой массу, имеющую вид прозрачного равнобедренного треугольника на непрозрачном фоне. Прозрачность оптического клина 32 изменяется по линейному закону вдоль оси OX, расположенной перпендикулярно пучку света. За счет диафрагм 29 и 31 размер апертуры выбран так, чтобы максимально локализовать в пространстве мгновенный спектр анализируемого сигнала.

Распределение интенсивности света в плоскости пространственных частот в области первого дифракционного максимума в одновременном случае описывается функцией вида

где L - апертура;
- волновое число акустической волны;
- длина акустической волны;
- волновое число световой волны;
λ - длина световой волны;
F - фокусное расстояние.

Указанная функция имеет ярко выраженный максимум, что свидетельствует о локализации мгновенного спектра, положение которого однозначно связано с частотой акустического колебания

где v - скорость распространения акустической волны в звукопроводе, т.е. по положению максимума интенсивности света в первом дифракционном порядке можно судить о частоте колебаний, возбуждающих модулятор. С помощью оптического клина 32 осуществляется преобразование координаты максимума светового распределения в величину выходного тока фотоприемника 33. При анализе ЧМ-сигнала, ток фотоприемника 33, как функция времени, соответствует закону изменения частоты в анализируемом сигнале.

Если на вход устройства поступает ЛЧМ-сигнал (j=2)
U_c(t) = U_c•cos(2πf_ct+πγt²+Φ_c),0≅t≅T_c,
то преобразователем частоты он передается на промежуточную частоту
U_пр(t) = U_пр•cos(2πf_прt+πγt^j+Φ_пр),0≅t≅T_c,
напряжение U_пр(t) выделяется усилителем 4 промежуточной частоты и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 28, где происходит преобразование сигнала в акустическое колебание. При этом ячейка Брэгга 28, диаграммы 29 и 31, линза 30 и оптический клин 32 образуют акустооптический демодулятор ЧМ-сигналов. На экране индикатора 34 в этом случае образуется изображение, пропорциональное закону ЛЧМ (фиг. 4, з).

Если на вход устройства поступает сигнал с СЛЧМ
U_c(t) = U_c•cos(2πf_ct+πγ|t|t+Φ_c),0≅t≅T_c,
то на экране индикатора 34 образуется изображение, пропорциональное закону СЛЧМ (фиг. 4, и, к).

Если на вход устройства поступает сигнал с КЧМ (j = 3)
U_c(t) = U_c•cos(2πf_ct+πγt³+Φ_c),0≅t≅T_c,
то на экране индикатора 34 образуется изображение, пропорциональное закону КЧМ (фиг. 4, л).

Таким образом, предлагаемое устройство для распознавания информационных сигналов по сравнению с прототипом обеспечивает распознавание вида частотной модуляции принимаемого информационного сигнала. Тем самым функциональные возможности устройства расширены.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для анализа амплитудного спектра информационных сигналов. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей за счет визуального распределения вида частотной модуляции. Устройство содержит блок приема и усиления сигнала, умножители фазы, источник излучения, коллиматор, модуляторы излучения, объективы, фотоприемники, диафрагмы и оптический клин. 4 ил.

Устройство для распознавания информационных сигналов, содержащее последовательно включенные блок приема и усиления сигнала и с первого по третий умножители фазы, а также последовательно установленные на одной оптической оси источник излучения, коллиматор и с первого по пятый модуляторы излучения, управляющие входы с первого по четвертый модуляторов излучения соединены с выходами блока приема и усиления сигнала и с первого по третий умножителей фазы соответственно, на пути распространения дифрагированных с первого по пятый модуляторами излучения пучков света установлены соответственно с первого по пятый объективы, в фокальной плоскости которых размещены, соответственно, с первого по пятый фотоприемники, выходы которых являются соответственно с первого по пятый информационными выходами устройства, управляющий вход пятого модулятора излучения через выключатель соединен с выходом блока приема и усиления сигнала, отличающееся тем, что в него введены две диафрагмы и оптический клин, причем первая диафрагма, пятый объектив и вторая диафрагма установлены последовательно на пути распространения дифрагированного пятым модулятором излучения пучка света, а оптический клин предназначен для преобразования координаты максимума светового распределения пятого объектива и размещен в его фокальной плоскости.