СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТЫ Российский патент 2006 года по МПК G01R23/00 

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

Известны способы определения частоты и устройства для их реализации (авт. свид. СССР №№524138, 620907, 868614, 1000930, 1012152, 1180804, 1187095, 1272266, 1290192, 1354124; патенты РФ №№2.124.216, 2.230.330; патент США №4.443.801; 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 «Способ определения частоты» (патент РФ 2230330, G 01 R 23/00, 2002), который и выбран в качестве базового объекта.

Указанный способ обеспечивает определение несущей частоты принимаемого сигнала и вид его модуляции (амплитудная или угловая, фазовая или частотная).

Одной из характерных особенностей современных и перспективных радиоэлектронных средств (РЭС) является широкое использование сигналов с амплитудной, частотной и фазовой манипуляцией.

Известный способ не позволяет определить вид манипуляции принимаемого сигнала.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа путем определения вида манипуляции 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, определении эффективного коэффициента амплитудной модуляции, эффективной девиации частоты, ширины спектра принимаемого сигнала, отношения ширины спектра к эффективной девиации частоты, сравнении их с определенными численными значениями и определении по результатам сравнения амплитудной или угловой модуляции принимаемого сигнала, осуществлении при угловой модуляции частотного и фазового детектирования принимаемого сигнала, определении отношения амплитуд спектральных составляющих, взятых в начале частотной оси, к амплитудам спектральных составляющих, взятых на некотором расстоянии от начала оси, сравнении полученного отношения с единицей и определении по результатам сравнения частотной и фазовой модуляции принимаемого сигнала, формируют комплексный спектр принимаемого сигнала, определяют симметрию амплитудного спектра и наличие линейного фазового члена, при симметрии амплитудного спектра и наличии линейного фазового члена делают вывод о частотной манипуляции принимаемого сигнала, при отсутствии симметрии амплитудного спектра и наличии линейного фазового члена делают вывод об амплитудной манипуляции принимаемого сигнала, при отсутствии симметрии амплитудного спектра и линейного фазового члена делают вывод о фазовой манипуляции принимаемого сигнала.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг.1. Временные диаграммы, иллюстрирующие сигналы с амплитудной, частотной и фазовой манипуляцией, показаны на фиг.2. Пространство признаков распознавания указанных сигналов изображено на фиг.3.

Устройство содержит последовательно включенные приемную антенну 1, входную цепь 2, усилитель 4 высокой частоты, смеситель 6, усилитель 7 промежуточной частоты, детектор 8, видеоусилитель 9 и вертикально-отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) 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 ко второму входу первого блока 23 сравнения. К выходу ключа 12 последовательно подключены ключ 24, второй вход которого соединен с вторым 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 фазового 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. К выходу ключа 12 последовательно подключены анализатор 35 комплексного спектра, анализатор 36 линейного члена фазового спектра, первый преобразователь 38 аналог-код и первый элемент совпадения И 40, выходное напряжение которого является признаком частотной манипуляции (ЧМн) принимаемого сигнала. Ко второму выходу анализатора 35 комплексного спектра последовательно подключены анализатор 37 симметрии амплитудного спектра и второй преобразователь 39 аналог-код, выход которого соединен с вторым входом первого элемента совпадения И 40. К выходу первого преобразователя 38 аналог-код подключен второй элемент совпадения И 42, второй вход которого через первый инвертор 41 соединен с выходом второго преобразователя 39 аналог-код, а выходное напряжение является признаком амплитудной манипуляции (АМн) принимаемого сигнала. К выходу первого преобразователя 38 аналог-код последовательно подключены второй инвертор 43 и третий элемент совпадения И 44, второй вход которого соединен с выходом первого инвертора 41, а выходное напряжение является признаком фазовой манипуляции (ФМн) принимаемого сигнала.

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 8 и дополнительного усиления в видеоусилителе 9 подается на вертикально-отклоняющие пластины ЭЛТ 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;

- фаза колебания,

U(t)=U_c[1+mSin Ωt] - огибающая колебания,

где U_c - амплитуда несущей в отсутствии модуляции;

m - коэффициент амплитудной модуляции;

Ω - частота моделирующей функции.

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

Если АМ-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 выходе амплитудного детектора 13 при воздействии на его вход АМ-сигнала выделяется модулирующая функция, в которой заложена полезная информация.

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

т.е.

Из полученных выражений видно, что при отсутствии паразитной УМ при амплитудной модуляции колебания и паразитной AM при угловой модуляции колебания различить амплитудно-моделированный 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)=ΔU(t)·Sin Ωt - моделирующая функция;

- эффективная девиация частоты

где Т - длительность сигнала;

- ширина спектра Δω_с принимаемого сигнала.

Для АМ-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_с/Δω_дэф определяется в делителе 22 напряжений. В первом блоке 23 сравнения измеренные величины m_эф и Δω_с/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 со второго 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 моделирующей 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 моделирующей функции в ряд Фурье на некотором временном интервале имеет следующий вид:

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

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

а на выходе частотного детектора 18 получается дифференциал фазы

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

При ЧМ ω(t)=M(t), Ф(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, будут больше 1.

Теперь рассмотрим прохождение ФМ-колебания через частотный детектор 18. При ФМ ω(t)=0, Ф(t)=М(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 амплитудам спектральных составляющих, взятых на некотором расстоянии от начала оси, будут меньше 1.

Принимаемый УМ-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 и 34 сравнения определяют отношение амплитуд спектральных составляющих, взятых в начале частотной оси, к амплитудам спектральных составляющих, взятым 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 (частотная или фазовая) модуляции принимаемого сигнала.

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

Если на выходе частотного детектора 18 отношение амплитуд спектральных составляющих, взятых в начале частотной оси, к амплитудам спектральных составляющих, 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.

При манипуляции высокочастотного колебания по амплитуде, частоте и фазе модулирующей функцией М(t) (двухполярными посылками постоянного тока), манипулированные сигналы будут иметь вид, показанный на фиг.2.

Для распознавания указанных сигналов можно использовать спектральный метод, который основан на особенностях амплитудных и фазовых спектров амплитудно-манипулированных (АМн), частотно-манипулированных (ЧМн) и фазо-манипулированных (ФМн) сигналов, получаемых в реальном масштабе времени. При этом в качестве признаков распознавания указанных сигналов используются симметрия амплитудного спектра и наличие линейного фазового члена. При частотной манипуляции (ЧМн) амплитудный спектр не обладает свойством симметрии, а при амплитудной (АМн) и фазовой (ФМн) манипуляции он является четно-симметричной функцией частоты. Обозначив данный признак через α, получим

α_АМн=0, α_ЧМн=1, α_ФМн=0.

По данному признаку можно различить два класса сигналов:

ЧМн-сигнал и АМн (ФМн) сигналы.

Фазовые спектры АМн- и ЧМн-сигналов характеризуются наличием линейного члена. Обозначив данный признак через β, получим

β_АМн=0, β_ЧМн=1, β_ФМн=0.

По этому признаку можно отличить АМн-, ЧМн-сигналы от ФМн-сигнала.

Следует отметить, что в пространстве указанных признаков рассматриваемые классы сигналов не пересекаются, т.е. их распознавание можно производить с высокой достоверностью (фиг.3).

Принимаемый манипулируемый сигнал с выхода усилителя 4 высокой частоты через открытый ключ 12 поступает на вход анализатора 35 комплексного спектра, а затем на входы анализатора 36 линейного члена, фазового члена и анализатора 37 симметрии амплитудного спектра. Измеренные признаки распознавания поступают на входы преобразователей 38 и 39 аналог-код, где они преобразуются в цифровые коды, которые поступают в блок логической обработки, состоящий из элементов совпадения И 40, 42, 44 и инверторов 41 и 43. Появление напряжений на выходах элементов совпадения И 40, 42 и 44 свидетельствует о частотной, амплитудной и фазовой манипуляции соответственно.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом обеспечивает определение не только несущей частоты принимаемого сигнала и вида его модуляции (амплитудная или угловая, частотная или фазовая), но и вид манипуляции (амплитудная, частотная и фазовая) принимаемого сигнала. Тем самым функциональные возможности способа расширены.

Предлагаемый способ относится к области радиоэлектроники и может быть использован для определения несущей частоты, вида модуляции и манипуляции сигналов, принимаемых в заданном диапазоне частот. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей путем определения вида манипуляции принимаемого сигнала. Способ определения частоты основан на поиске сигнала в заданном диапазоне частот путем перестройки супергетеродинного приемника, формировании частотной развертки на экран электронно-лучевой трубки, преобразовании по частоте принимаемого сигнала, усилении его по напряжению, детектировании и подаче на вертикально-отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки. В результате, на экране образуется импульс, по положению которого на частотной развертке определяют несущую частоту принимаемого сигнала. После этого определяют эффективный коэффициент амплитудной модуляции, эффективную девиацию частоты, ширину спектра принимаемого сигнала, а также отношение ширины спектра к эффективной девиации частоты, после чего сравнивают эффективный коэффициент амплитудной модуляции и отношение ширины спектра к эффективной девиации частоты с определенными численными значениями и определяют вид модуляции принимаемого сигнала по критериям, приведенным в формуле изобретения. Кроме того, 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, и сравнивают полученные отношения с единицей. После этого формируют комплексный спектр принимаемого сигнала, а также определяют симметрию амплитудного спектра и наличие линейного фазового члена. 3 ил.

Способ определения частоты, основанный на поиске сигнала в заданном диапазоне частот путем перестройки супергетеродинного приемника, формировании частотной развертки на экран электронно-лучевой трубки, преобразовании по частоте принимаемого сигнала, усилении его по напряжению, детектировании и подаче на вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки, в результате на экране образуется импульс, по положению которого на частотной развертке определяют несущую частоту принимаемого сигнала, определении эффективного коэффициента амплитудной модуляции, эффективной девиации частоты, ширины спектра принимаемого сигнала, отношения ширины спектра к эффективной девиации частоты, сравнении эффективного коэффициента амплитудной модуляции и отношения ширины спектра к эффективной девиации частоты с определенными численными значениями и определении амплитудной или угловой модуляции 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

осуществлении при угловой модуляции частотного и фазового детектирования принимаемого сигнала, определении отношения амплитуд спектральных составляющих, взятых в начале частотной оси, к амплитудам спектральных составляющих, взятым на некотором расстоянии от начала оси, сравнении полученного отношения с единицей, если это отношение больше единицы - делают вывод о частотной модуляции принимаемого сигнала, если меньше - о фазовой, отличающийся тем, что формируют комплексный спектр принимаемого сигнала, определяют симметрию амплитудного спектра и наличие линейного фазового члена, при симметрии амплитудного спектра и наличии линейного фазового члена делают вывод о частотной манипуляции принимаемого сигнала, при отсутствии симметрии амплитудного спектра и наличии линейного фазового члена делают вывод об амплитудной манипуляции принимаемого сигнала, при отсутствии симметрии амплитудного спектра и линейного фазового члена делают вывод о фазовой манипуляции принимаемого сигнала.