СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТЫ Российский патент 2004 года по МПК G01R23/00 

Предлагаемый способ относится к области радиоэлектроники и может быть использован для определения несущей частоты и вида модуляции сигналов, принимаемых в заданном диапазоне частот.

Известны способы определения частоты и устройства для их реализации (авт. свид. СССР №620907, 524138, 868614, 1000930, 1012152, 1180804, 1187095, 1272266, 1290192, 1354124; патент РФ №2124216; патент США №4443801; Вакин С.А., Шустов Л.Н. Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки. М.: Сов. Радио, 1968, с. 386-396, рис. 10.3 и другие).

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является “Поисковый способ определения частоты” (Вакин С.А., Шустов Л.Н. Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки. М.: Сов. Радио, 1968, с. 386-396, рис. 10.3), который и выбран в качестве базового объекта.

Указанный способ обеспечивает определение только несущей частоты принимаемого сигнала и не позволяет определять вид его модуляции.

Одной из характерных особенностей современных и перспективных радиоэлектронных средств (РЭС) является широкое использование простых и сложных сигналов, которые отличаются большим разнообразием видов модуляции.

Вид модуляции является важной характеристикой радиоизлучений, обеспечивающей решение ряда задач приема и анализа сигналов РЭС. Задача определения вида модуляции имеет также важное значение при оценке параметров модулирующей функции принимаемых сигналов. Обычно анализаторы параметров для каждого вида сигналов строятся по различным принципам и выдают ложную информацию для сигналов с другими законами модуляции. Селекция сигналов по виду модуляции дает возможность устранить этот недостаток.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа путем определения вида модуляции принимаемого сигнала.

Поставленная задача решается тем, что согласно способу определения частоты, основанному на поиске сигналов в заданном диапазоне частот путем перестройки супергетеродинного приемника, формировании частотной развертки на экране электронно-лучевой трубки, преобразовании по частоте принимаемого сигнала, усилении его по напряжению, детектировании и подаче на вертикально отклоняющие пластины трубки, в результате чего на экране образуется импульс, по положению которого на частотной развертке определяют несущую частоту принимаемого сигнала, определяют эффективный коэффициент амплитудной модуляции, эффективную девиацию частоты, ширину спектра принимаемого сигнала, отношение ширины спектра к эффективной девиации частоты, сравнивают их с определенными численными значениями и по результатам сравнения определяют амплитудную или угловую модуляцию принимаемого сигнала, при угловой модуляции осуществляют частотное и фазовое детектирование принимаемого сигнала, определяют отношение амплитуд спектральных составляющих, взятых в начале частотной оси, к амплитудам спектральных составляющих, взятым на некотором расстоянии от начала оси, сравнивают полученное отношение с единицей и по результатам сравнения определяют частотную или фазовую модуляцию принимаемого сигнала.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на чертеже.

Устройство содержит последовательно включенные приемную антенну 1, входную цепь 2, усилитель 4 высокой частоты, смеситель 6, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 5, усилитель 7 промежуточной частоты, детектор 8, видеоусилитель 9 и вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки 11, горизонтально отклоняющие пластины которой соединены с устройством 10 формирования частотной развертки. Управляющие входы входной цепи 2, усилителя 4 высокой частоты, гетеродина 5 и устройства 10 формирования частотной развертки соединены с соответствующими выходами блока 3 поиска, в качестве которого может быть использован генератор пилообразного напряжения или электрический мотор. К выходу усилителя 4 высокой частоты последовательно подключены ключ 12, второй вход которого соединен с выходом детектора 8, амплитудный детектор 13, фильтр 14 верхних частот, первый квадратор 16, первый делитель 17 напряжений, второй вход которого через первый фильтр 15 нижних частот соединен с выходом амплитудного детектора 13, и первый блок 23 сравнения, два выхода которого являются выходами устройства. К выходу ключа 12 последовательно подключены частотный детектор 18, второй фильтр 19 нижних частот, второй квадратор 20 и второй делитель 22 напряжений, второй вход которого через анализатор 21 спектра соединен с выходом ключа 12, а выход подключен к второму входу первого блока 23 сравнения. К выходу ключа 12 последовательно подключены ключ 24, второй вход которого соединен с первым выходом первого блока 23 сравнения, фазовый детектор 25, третий фильтр 26 нижних частот, второй амплитудный детектор 28 и второй блок 30 сравнения, второй вход которого через последовательно включенные второй фильтр 27 верхних частот и третий амплитудный детектор 29 соединен с выходом фазного детектора 25, а два выхода являются выходами устройства.

К выходу частотного детектора 18 последовательно подключены третий фильтр 32 верхних частот, пятый амплитудный детектор 33 и третий блок 34 сравнения, второй вход которого через четвертый амплитудный детектор 31 соединен с выходом фильтра 19 нижних частот, а два выхода являются выходами устройства.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Поиск сигналов в заданном диапазоне частот осуществляется с помощью блока 3 поиска, который по пилообразному закону согласованно изменяет настройку входной цепи 2, усилителя 4 высокой частоты и гетеродина 5. Одновременно блок 3 поиска управляет устройством 10 формирования частотной развертки на экране электронно-лучевой трубки 11.

Принимаемый сигнал после преобразования по частоте в смесителе 6 и усиления в усилителе 7 промежуточной частоты, детектирования в детекторе 9 и дополнительного усиления в видеоусилителе 9 подается на вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки 11, в результате чего на экране образуется импульс (частотная метка), положение которого на частотной развертке определяет несущую частоту принимаемого сигнала.

Модулированное колебание в самой общей форме может быть записано

Здесь ω_с, ϕ_с - несущая частота и начальная фаза колебания;

где U_c - амплитуда несущей в отсутствии модуляции;

m - коэффициент амплитудной модуляции;

Ω - частота модулирующей функции.

Для сигнала с амплитудной модуляцией (AM) выражение (1) будет иметь вид

Если AM-сигнал поступает на вход амплитудного детектора 13 с выхода усилителя 4 высокой частоты через открытый ключ 12, то на его выходе образуется напряжение

Следовательно, на выход амплитудного детектора 13 при воздействии на его вход AM-сигнала выделяется модулирующая функция, в которой заложена полезная информация.

Если на вход амплитудного детектора 13 поступает сигнал с угловой модуляцией, то при этом U(t)=U_c=const и выражение (1) принимает вид

т.е. U_AM(t)=U₀.

Из полученных выражений видно, что при отсутствии паразитной УМ при амплитудной модуляции колебания и паразитной AM при угловой модуляции колебания различить амплитудно-модулированный сигнал от сигнала с угловой модуляцией можно, пропуская его через амплитудный детектор 13.

В качестве информативных признаков распознавания сигналов с амплитудной и угловой модуляциями могут быть использованы следующие параметры:

- эффективный коэффициент амплитудной модуляции

где - среднеквадратичное значение переменного напряжения сигнала и шума на нагрузке амплитудного детектора 13;

M(t)=A(t)sinΩt - модулирующая функция;

- эффективная девиация частоты

где Т - длительность сигнала;

- ширина спектра Δω_с принимаемого сигнала.

Для AM-сигнала указанные признаки равны:

Для УМ-сигнала

Эффективный коэффициент амплитудной модуляции m_эф определяется с помощью амплитудного детектора 13, фильтра 14 верхних частот, первого фильтра 15 нижних частот, первого квадратора 16 и первого делителя 17 напряжений.

Эффективная девиация частоты Δω_дэф определяется с помощью частотного детектора 18, второго фильтра 19 нижних частот, второго квадратора 20 и второго делителя 22 напряжений.

Ширина амплитудного спектра Δω_с принимаемого сигнала определяется с помощью анализатора 21 спектра.

Отношение Δω_c/Δω_дэф определяется в делителе 22 напряжений. В первом блоке 23 сравнения измеренные величины m_эф и Δω_c/Δω_дэф сравниваются с определенными численными значениями m₀ и К₀. По результатам сравнения определяется вид модуляции (амплитудная или угловая) принимаемого сигнала.

Если принимаемый сигнал имеет угловую модуляцию, то постоянное напряжение с первого выхода блока 23 сравнения подается на управляющий вход ключа 24, открывая его. В исходном состоянии ключи 12 и 24 всегда закрыты. При этом принимаемый сигнал с угловой модуляцией с выхода усилителя 4 высокой частоты через открытые ключи 12 и 24 поступает для дальнейшей обработки.

Следует отметить, что распознавание вида угловой (частотная или фазовая) модуляции является сложной технической задачей. Это связано с трудностью выделения информативных признаков, по которым можно отличить сигнал с частотной модуляцией (ЧМ) от сигнала с фазовой модуляцией (ФМ), так как частотная и фазовая модуляции в силу интегродифференциальной связи между частотой и фазой колебания имеют много общего друг с другом, что и оправдывает существование объединенного термина “угловая модуляция”.

Заметим, что в силу указанной связи частотная модуляция всегда сопровождается изменением фазы модулируемого колебания, а при осуществлении фазовой модуляции всегда имеет место изменение частоты радиосигнала. Эти изменения неразрывно связаны друг с другом, и все дело в том, какое из них является первичным, т.е. какое из них пропорционально модулирующей функции. При частотной модуляции, очевидно, первичным является изменение частоты, а при фазовой модуляции - изменение фазы высокочастотных колебаний.

Следует отметить, что распознавание ЧМ- и ФМ-сигналов при гармонической модулирующей функции вообще невозможно. Однако реальные колебания имеют модулирующую функцию, значительно более сложную, чем гармоническая. Поэтому имеется определенная возможность для распознавания ЧМ- и ФМ-сигналов, используя в качестве признака распознавания деформацию модулирующей функции на выходе частотного 18 и фазового 25 детекторов.

Пусть разложение модулирующей функции в ряд Фурье на некотором временном интервале имеет следующий вид:

где U_i, Ω_i, ϕ_i - амплитуда, частота и начальная фаза i-ой спектральной составляющей.

Известно, что на выходе фазового детектора 25 будет выделяться фаза колебания

а на выходе частотного детектора 18 получается дифференциал от фазы

Рассмотрим случай, когда тип детектора соответствует виду угловой модуляции принимаемого сигнала.

При ЧМ ω(t)=M(t), Φ(t)=0 и на выходе частотного детектора 18 будем иметь

При ФМ ω(t)=0, Ф(t}=М(t) и на выходе фазового детектора 25 будем иметь

Если тип детектора не соответствует виду угловой модуляции, то возможны следующие ситуации.

Пусть на вход фазового детектора 25 поступает ЧМ-сигнал. При этом ω(t)=M(t), Ф(t)=0 и на выходе фазового детектора 25 будем иметь

Анализируя формулу (11), видим, что спектр ЧМ-колебания после фазового детектора 25 претерпевает деформацию. С увеличением номера спектральной составляющей амплитуда ее будет уменьшаться, т.е. отношение амплитуд спектральных составляющих, взятых в начале частотной оси, к амплитудам спектральных составляющих, взятых на некотором расстоянии от начала оси, будет больше 1.

Теперь рассмотрим прохождение ФМ-колебания через частотный детектор 18. При ФМ ω(t)=0, Ф(t)=M(t) и на выходе частотного детектора 18 будем иметь

Из формулы (12) видно, что спектр ФМ-колебания на выходе частотного детектора 18 также претерпевает деформацию. С увеличением номера спектральной составляющей амплитуда ее будет увеличиваться, т.е. отношение амплитуд спектральных составляющих, взятых в начале частотной оси, к спектральным составляющим, взятым на некотором расстоянии от начала оси, будет меньше 1.

Принимаемый ЧМ-сигнал с выхода усилителя 4 высокой частоты через открытые ключи 12 и 24 поступает на входы частотного 18 и фазового 25 детекторов. Фильтры 19 и 26 нижних частот выделяют спектральные составляющие, расположенные в начале частотной оси. Фильтры 27 и 32 верхних частот выделяют спектральные составляющие, расположенные на некотором расстоянии от начала оси. Амплитудные детекторы 28, 29, 31 и 33 выделяют огибающие соответствующих спектральных составляющих. Блоки 30, 34 сравнения определяют отношение амплитуд спектральных составляющих, взятых в начале частотной оси, к амплитудам спектральных составляющих, взятых на некотором расстоянии от начала частотной оси, на выходах фазового 25 и частотного 18 детекторов. В зависимости от указанного отношения принимается решение о виде угловой (частотной или фазовой) модуляции принимаемого сигнала.

Если на выходе фазового детектора 25 указанное отношение больше единицы, а на выходе частотного детектора 18 указанное отношение приблизительно равно единицы, то принимаемый сигнал имеет частотную модуляцию.

Если на выходе частотного детектора 18 отношение амплитуд спектральных составляющих, взятых в начале частотной оси, к спектральным составляющим, взятым на некотором расстоянии от начала оси, будет меньше единицы, а на выходе фазового детектора 25 приблизительно равно единице, то принимаемый сигнал имеет фазовую модуляцию.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом обеспечивает определение не только несущей частоты принимаемого сигнала, но и вид его модуляции. Тем самым функциональные возможности способа расширены.

Использование: для определения несущей частоты и вида модуляции сигналов, принимаемых в заданном диапазоне частот. Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа путем определения вида модуляции принимаемого сигнала. Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит приемную антенну, входную цепь, блок поиска, усилитель высокой частоты, гетеродин, смеситель, усилитель промежуточной частоты, детектор, видеоусилитель, устройство формирования частотной развертки, электронно-лучевую трубку, два ключа, пять амплитудных детекторов, три фильтра верхних частот, три фильтра нижних частот, два квадратора, два делителя напряжений, частотный детектор, анализатор спектра, три блока сравнения и фазовый детектор. 1 ил.

Способ определения частоты, основанный на поиске сигнала в заданном диапазоне частот путем перестройки супергетеродинного приемника, формировании частотной развертки на экране электронно-лучевой трубки, преобразовании по частоте принимаемого сигнала, усилении его по напряжению, детектировании и подаче на вертикально отклоняющие пластины трубки, в результате на экране образуется импульс, по положению которого на частотной развертке определяют несущую частоту принимаемого сигнала, отличающийся тем, что определяют эффективный коэффициент амплитудной модуляции, эффективную девиацию частоты, ширину спектра принимаемого сигнала, отношение ширины спектра к эффективной девиации частоты, сравнивают эффективный коэффициент амплитудной модуляции и отношение ширины спектра к эффективной девиации частоты с определенными численными значениями и определяют амплитудную или угловую модуляцию принимаемого сигнала по следующим критериям:

для амплитудной модуляции

где m_эф - эффективный коэффициент амплитудной модуляции;

- отношение ширины спектра к эффективной девиации частоты,

для угловой модуляции

m_эф ≥ m_о; m_o2÷3;

при угловой модуляции осуществляют частотное и фазовое детектирование принимаемого сигнала, определяют отношение амплитуд спектральных составляющих, взятых в начале частотной оси, к амплитудам спектральных составляющих, взятым на некотором расстоянии от начала оси, сравнивают полученное отношение с единицей, если это отношение больше единицы, делают вывод о частотной модуляции принимаемого сигнала, если меньше - о фазовой.