ИЗМЕРИТЕЛЬ СПЕКТРАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАДИОСИГНАЛОВ Российский патент 2004 года по МПК G01R23/16 

Устройство относится к области радиотехнических измерений и может быть использовано для вычисления средней частоты радиосигналов.

Известны устройства, в которых задержка их выходного отклика прямо пропорциональна средней частоте спектра входного радиосигнала (см. книгу: Речицкий В.И. Радиокомпоненты на поверхностных акустических волнах. - М.: Радио и связь, 1984, с.87-88, рис. 62). Такое устройство содержит последовательно включенные смеситель, дисперсионную линию задержки и измеритель временной задержки, а также ЛЧМ генератор, вход которого соединен с выходом измерителя задержки, а выход - с опорным входом смесителя, причем сигнальный вход смесителя является входом устройства. Устройство работает следующим образом. На вход устройства поступает радиосигнал, представляющий собой в общем случае совокупность гармонических колебаний. Каждое из гармонических колебаний перемножается в смесителе с ЛЧМ радиоимпульсом, формируемым в ЛЧМ генераторе. В результате этого на выходе смесителя появляется ЛЧМ импульс, средняя частота которого прямо пропорциональна частоте входного гармонического колебания. Поскольку характеристики дисперсионной линии задержки (ДЛЗ) согласованы с законом изменения частоты ЛЧМ импульса на ее входе (скорости изменения частоты одинаковы, а направления изменения частоты противоположны), на выходе ДЛЗ формируется сжатый отклик вида sin х/х, задержка которого прямо пропорциональна частоте входного гармонического колебания. В измерителе временной задержки производится вычисление задержки сжатого отклика, а с учетом коэффициента пропорциональности, учитывающего зависимость задержки от частоты, вычисляется и частота входного колебания. Возможности такого устройства оказываются ограниченными из-за недостаточной стабильности параметров ЛЧМ гетеродина, поскольку зачастую предполагается формирование в нем ЛЧМ колебания путем частотной модуляции сигнала, формируемого в резонансном гетеродине.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является измеритель спектральных параметров радиосигналов, описанный в книге: Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. - М.: Радио и связь, 1990 (рис. 9.18, с.273, последнее предложение 2-го абзаца). Устройство содержит последовательно включенные генератор коротких импульсов, первую (формирующую) дисперсионную линию задержки и смеситель, сигнальный вход которого является входом устройства, а также последовательно соединенные вторую (сжимающую) дисперсионную линию задержки, амплитудный детектор и измеритель временной задержки, причем выход измерителя подключен ко входу генератора коротких импульсов.

Это устройство работает следующим образом. Измеритель временной задержки формирует на своем выходе синхроимпульс, относительно которого будет измеряться задержка сигналов с выхода амплитудного детектора. Этот синхроимпульс запускает генератор коротких импульсов, на выходе которого формируется радиоимпульс, ширина спектра которого превышает полосу пропускания формирующей (1-й) дисперсионной линии задержки. В результате на выходе этой ДЛЗ появляется отклик, представляющий собой ЛЧМ радиоимпульс. Этот радиоимпульс перемножается с входным гармоническим колебанием, и на выходе смесителя появляется ЛЧМ радиоимпульс, средняя частота которого прямо пропорциональна частоте входного гармонического колебания. Поскольку характеристики этого ЛЧМ импульса согласованы с характеристиками сжимающей (2-й) дисперсионной линии задержки, на ее выходе появляется радиоимпульс с огибающей вида sin x/х. В детекторе выделяется огибающая этого сигнала, а в измерителе производится вычисление задержки видеосигнала относительно синхроимпульса, т.е. с учетом коэффициента пропорциональности измеряется средняя частота входного колебания.

Для того чтобы описанный измеритель работал без пропуска коротких входных радиосигналов, необходимо, чтобы основные параметры сжимающей ДЛЗ (перепад времени групповой задержки и полоса пропускания) превосходили аналогичные параметры формирующей ДЛЗ (см. указанную книгу: Морган Д., гл. 9.7.1, с.274). Поэтому для реализации подобного устройства необходимо иметь две дисперсионные линии задержки с различными параметрами. В то же время такой параметр измерителя, как полоса обзора, равен полосе пропускания формирующей ДЛЗ. При достижении технологического предела в изготовлении ДЛЗ по полосе пропускания ΔF это приводит к тому, что может быть получена полоса обзора устройства, равная только ΔF/2 (при условии отсутствия пропуска коротких входных радиоимпульсов). Эти два указанных фактора являются недостатками рассмотренного устройства.

Сущность предлагаемого технического решения состоит в том, что в устройство, содержащее последовательно включенные генератор коротких импульсов и дисперсионную линию задержки, последовательно соединенные смеситель, вторую дисперсионную линию задержки и амплитудный детектор, причем сигнальный вход смесителя является входом устройства, и измеритель временной задержки, выход которого подключен ко входу генератора коротких импульсов, введены второй смеситель, вход которого объединен со входом первого смесителя, первый и второй переносчики частоты, входы которых объединены и подключены к выходу первой дисперсионной линии задержки, а выход каждого из которых подключен к опорному входу одноименного смесителя, пороговый узел, вход которого подключен к выходу амплитудного детектора, а также последовательно включенные третья дисперсионная линия задержки, второй амплитудный детектор, второй пороговый узел и объединяющий логический элемент, выход которого соединен со входом измерителя временной задержки, причем вход третьей дисперсионной линии задержки подключен к выходу второго смесителя, а второй вход объединяющего логического элемента - к выходу первого порогового узла.

Задачей, решаемой в предлагаемом устройстве, является обеспечение измерения спектральных частот в полной полосе обзора, равной полосе пропускания ДЛЗ, при отсутствии пропуска входных радиосигналов независимо от их длительности. Кроме того, поставленная цель выполняется с применением трех одинаковых дисперсионных линий задержки, полоса пропускания каждой из которых равна полосе обзора устройства. Технический результат достигается за счет того, что из ЛЧМ импульса, полученного на выходе первой ДЛЗ, с помощью двух переносчиков частоты формируются два ЛЧМ импульса, средние частоты которых смещены на величину ΔF/2 (ΔF - полоса пропускания ДЛЗ, равная девиации частоты ЛЧМ импульса и, соответственно, равная полосе обзора устройства в целом). Собственно спектральное преобразование и обнаружение спектрального отклика производятся в двух параллельных каналах, каждый из которых включает в себя последовательно включенные смеситель, дисперсионную линию задержки, амплитудный детектор и пороговый узел. Каждый из этих каналов эффективно обрабатывает половину полосы обзора (нижнюю часть и, соответственно, верхнюю часть полосы обзора). С помощью объединяющего логического элемента (выполняющего функцию ИЛИ) на измеритель временной задержки поступает информация от обоих каналов, т.е. обеспечивается обработка в полной полосе обзора (ΔF) и без пропуска сигналов.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства; на фиг.3 - структурная схема устройства-прототипа.

На фиг.1 и 3 приняты следующие обозначения:

1 - генератор коротких импульсов,

2-1, 2-2, 2-3 - 1-я, 2-я и 3-я дисперсионные линии задержки,

3-1, 3-2 - 1-й и 2-й смесители,

4-1, 4-2 - 1-й и 2-й амплитудные детекторы,

5 - измеритель временной задержки,

6-1, 6-2 - 1-й и 2-й переносчики частоты,

7-1, 7-2 - 1-й и 2-й пороговые элементы.

На фиг.2 приняты следующие обозначения:

а - сигнал на выходе ДЛЗ-1,

b - сигнал на выходе ДЛЗ-2,

с - сигнал на выходе 1-го амплитудного детектора,

d - сигнал на выходе 2-го амплитудного детектора,

е - сигнал на выходе 1-го порогового элемента,

f - сигнал на выходе 2-го порогового элемента,

g - сигнал на выходе объединяющего порогового элемента.

Предлагаемое устройство содержит последовательно включенные генератор коротких импульсов 1 и первую дисперсионную линию 2-1 задержки, последовательно соединенные первый смеситель 3-1, вторую дисперсионную линию 2-2 задержки и первый амплитудный детектор 4-1, причем сигнальный вход смесителя 3-1 является входом устройства, а также измеритель временной задержки 5, выход которого подключен ко входу генератора 1. В состав устройства входят также второй смеситель 3-2, вход которого объединен со входом первого смесителя 3-1, первый 6-1 и второй 6-2 переносчики частоты, входы которых объединены и подключены к выходу первой дисперсионной линии 2-1 задержки, а выход каждого из которых соединен с опорным входом одноименного смесителя (3-1 и 3-2 соответственно), и первый пороговый элемент 7-1, вход которого подключен к выходу первого амплитудного детектора 4-1. В устройстве имеются также последовательно включенные третья дисперсионная линия 2-3 задержки, второй амплитудный детектор 4-2, второй пороговый элемент 7-2 и объединяющий логический элемент 8, выход которого соединен со входом измерителя временной задержки 5, причем вход третьей дисперсионной линии 2-3 задержки подключен к выходу второго смесителя 3-2, а второй вход объединяющего логического элемента 8 - к выходу первого логического элемента 7-1.

Устройство работает следующим образом. На выходе блока 5 формируется синхроимпульс, относительно которого в дальнейшем будет измеряться задержка спектральных откликов. По фронту этого импульса запускается генератор 1, на выходе которого формируется короткий радиоимпульс, и, соответственно, на выходе ДЛЗ-1 появляется ЛЧМ радиоимпульс со средней частотой , длительность τ которого определяет длительность анализируемой выборки устройства, а девиация частоты ΔF - полосу обзора устройства. Далее с помощью переносчика частоты 6-1 производится изменение средней частоты ЛЧМ импульса, т.е. на выходе блока 6-1 появляется ЛЧМ радиоимпульс, средняя частота F₁ которого выше, чем средняя частота 1-й ДЛЗ (блок 2-1), причем производится выделение нижней боковой полосы частот, в результате чего ход частоты в выходном ЛЧМ импульсе оказывается перевернутым (если в ДЛЗ-1 зависимость частоты от времени положительная, то здесь эта зависимость отрицательная). Аналогично работает и переносчик 6-2, только на его выходе средняя частота ЛЧМ импульса F₂ на ΔF/2 выше, чем средняя частота F₁, на выходе первого переносчика. Средняя частота F₀ полосы обзора устройства должна быть ниже, чем средняя частота ЛЧМ импульсов на выходах переносчиков частоты. На выходах смесителей 3-1 и 3-2 выделяются разностные боковые полосы частот, причем выбираются средние частоты в соответствии со следующими выражениями:

С целью наглядности анализа функционирования остальных узлов устройства рассматривается ситуация, когда на входе устройства действуют три гармонических сигнала, частота каждого из которых равна соответственно нижней, средней и верхней частоте полосы обзора. В результате этого на выходе смесителя 3-1 появляются три ЛЧМ радиоимпульса, средние частоты которых имеют следующие значения:

Поскольку закон изменения частоты в этих ЛЧМ импульсах согласован с характеристиками ДЛЗ-1 и ДЛЗ-2, на выходах дисперсионных линий задержки 2-2 и 2-3 формируются сжатые отклики, представляющие собой короткие радиоимпульсы с огибающей вида sin x/x, временное положение (задержка) которых определяется частотой гармоник на входе устройства. На фиг.2а представлены выходные отклики на выходе узла 2-2, а на фиг.2b - выходные отклики на выходе узла 2-3 (здесь условно огибающая откликов представлена в виде треугольников, хотя на самом деле она имеет форму sin x/x). Отклик, соответствующий нижней входной частоте F₀-ΔF/2, имеет минимальную задержку, максимальную амплитуду и минимальную длительность на выходе ДЛЗ-2 (см. фиг.2а). Отклик, соответствующий верхней входной частоте F₀+ΔF/2, имеет максимальную задержку, максимальную амплитуду и минимальную длительность на выходе ДЛЗ-3 (см. фиг.2b). Это обусловлено тем, что на этих частотах параметры спектра ЛЧМ импульса на входе соответствующей ДЛЗ полностью согласованы с полосой ее пропускания. При отстройке частоты входного колебания от краев к центру частоты ЛЧМ импульса и ДЛЗ расходятся и спектр ЛЧМ импульса перекрывается с полосой ДЛЗ только наполовину (см. книгу: Кочемасов В.Н., Долбня Е.В., Соболь Н.В. Акустоэлектронные Фурье-процессоры. - М.: Радио и связь, 1987, с.66, рис. 3.17а, б). Поэтому отклик, соответствующий средней частоте F₀ полосы пропускания, оказывается не просто задержанным на другую величину времени, но также уменьшен по амплитуде в два раза и, соответственно, оказывается в два раза шире (см. фиг.2а и 2b). В состав каждого из идентичных амплитудных детекторов (блоки 4-1 и 4-2) входит фильтр нижних частот с достаточно прямоугольной АЧХ, причем полоса пропускания такого фильтра имеет величину ΔF/4. Поэтому прямоугольный спектр коротких откликов обрезается, а спектр расширенных откликов (соответствующих частоте F₀) не изменяется, в результате чего на выходе каждого из амплитудных детекторов отклики оказываются одинаковыми по длительности и амплитуде независимо от частоты сигнала на входе устройства (см. фиг.2с и 2d). В пороговых элементах 7-1 и 7-2 происходит сравнение откликов с пороговым напряжением (нарисовано пунктирной линией на фиг.2с и d), в результате чего на входы элемента 8 поступают нормированные по амплитуде прямоугольные импульсы (фиг.2е и 2f). В качестве объединяющего логического элемента 8 используется вентиль, выполняющий логическую функцию ИЛИ, поэтому на выходе этого элемента присутствуют три прямоугольных импульса (фиг.2g), задержка каждого из которых определяет нижнюю, среднюю и верхнюю частоты полосы обзора. Поэтому в измерителе 5 производится вычисление задержки каждого из импульсов и производится пересчет этой задержки в значение частоты, которое может регистрироваться в цифровой или графической форме.

Все составные части рассмотренного устройства являются типовыми узлами, широко применяемыми в радиоэлектронике. Так, дисперсионные линии задержки реализуются на поверхностных акустических волнах (ПАВ), и подобные компоненты подробно описаны, например, в упомянутой выше книге Речицкого В.И. Возможные схемы построения генератора коротких импульсов приведены в упомянутой выше книге Кочемасова В.Н и др. (с.31-33, рис. 2.4). В этой же книге (с.37-41) рассмотрены варианты аналоговых перемножителей (смесителей). Каждый из переносчиков частот представляет собой типовой преобразователь, состоящий из последовательно включенных смесителя и фильтра промежуточных частот, а также гетеродина, выход которого подключен к второму (опорному) входу смесителя, причем сигнальный вход смесителя является входом переносчика частот, а выход фильтра промежуточных частот - выходом переносчика. В качестве пороговых элементов используются амплитудные компараторы, выпускаемые в виде интегральных микросхем (например, серии 597). Объединяющий логический элемент выполняется на основе типовой логической микросхемы ИЛИ, например 1554ЛЛ1. Измеритель временной задержки строится на принципе заполнения временного интервала тактовыми импульсами (см. книгу: Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1984, с.371-372), в частности, может быть применен измеритель временных интервалов, приведенный в описании к авт. свид. (СССР) 1500094.

Предлагаемое устройство отличается возможностью достижения максимально возможной полосы обзора при использовании трех одинаковых дисперсионных линий задержки, при этом обеспечивается обработка без пропусков входных радиоимпульсов любой длительности.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области радиотехнических измерений. Технический результат состоит в расширении измеряемого спектра частот в полной полосе обзора, равной полосе пропускания дисперсионной линии задержки (ДЛЗ). Для достижения технического результата устройство содержит последовательно включенные генератор коротких импульсов и дисперсионную линию задержки, последовательно соединенные смеситель, вторую дисперсионную линию задержки и амплитудный детектор, а также измеритель временной задержки, второй смеситель, вход которого объединен со входом первого смесителя, первый и второй переносчики частоты, пороговый элемент, вход которого подключен к выходу амплитудного детектора, и последовательно включенные третья дисперсионная линия задержки, второй амплитудный детектор, второй пороговый элемент и объединяющий элемент, выход которого соединен со входом измерителя временной задержки, причем вход третьей дисперсионной линии задержки подключен к выходу второго смесителя, а второй вход объединяющего элемента - к выходу первого порогового элемента. 3 ил.

Измеритель спектральных параметров радиосигналов, содержащий последовательно включенные генератор коротких импульсов и дисперсионную линию задержки, последовательно соединенные смеситель, вторую дисперсионную линию задержки и амплитудный детектор, причем сигнальный вход смесителя является входом устройства, а также измеритель временной задержки, выход которого подключен ко входу генератора коротких импульсов, отличающийся тем, что в него введены второй смеситель, вход которого объединен со входом первого смесителя, первый и второй переносчики частоты, входы которых объединены и подключены к выходу первой дисперсионной линии задержки, а выход каждого из которых соединен с опорным входом одноименного смесителя, пороговый элемент, вход которого подключен к выходу амплитудного детектора, а также последовательно включенные третья дисперсионная линия задержки, второй амплитудный детектор, второй пороговый элемент и объединяющий логический элемент, выход которого соединен со входом измерителя временной задержки, причем вход третьей дисперсионной линии задержки подключен к выходу второго смесителя, а второй вход объединяющего логического элемента - к выходу первого порогового элемента.