УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ ВХОДНОГО СИГНАЛА ПАНОРАМНОГО РАДИОПРИЕМНИКА Российский патент 2006 года по МПК G01R23/10 

Предлагаемое устройство относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для пассивного радиоконтроля при решении задачи скрытного определения характеристик импульсных сигналов с повышенной временной скрытностью (кратковременные пакетные сигналы, сигналы со скачкообразным изменением частоты и другие импульсные сигналы).

Известны устройства для измерения частоты входного сигнала панорамного радиоприемника (авт. свид. СССР №№1000930, 1272266, 1354124, 1406506, 1531018, 1557532, 1661661, 1742741, 1832215; патенты РФ №№2010245, 2025737, 2030750 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является "Устройство для измерения частоты входного сигнала панорамного радиоприемника" (авт. свид. СССР №1.000.930, G 01 R 23/10, 1981), которое и выбрано в качестве прототипа.

Следует отметить, что для представления любого сигнала достаточно знать его несущую частоту и двухкомпонентый векторный процесс - комплексную огибающую. Несмотря на то, что несущая частота может быть большой, комплексная огибающая остается относительно низкочастотным сигналом, который можно преобразовать в цифровую форму.

Любой сигнал в самой общей форме может быть представлен в следующем виде

где - комплексная огибающая сигнала;

U(t) - огибающая (изменяющаяся во времени амплитуда) сигнала;

ϕ(t)=ϕ_н(t)+ϕ₀ - фаза сигнала;

ϕ_н(t) - нелинейная составляющая фазы;

ϕ₀ - начальная фаза;

ω_сt - линейная составляющая;

ω_c - несущая круговая частота (ω_c=2πƒ_с)

С учетом формул Эйлера комплексная огибающая сигнала записывается в виде

При этом сигнал υ_с(t) выразим как вещественную часть комплексного сигнала

Рассмотрим комплексную огибающую сигнала при определенных значениях фазы ϕ(t).

Если фаза сигнала ϕ(t), изменяясь в некоторые моменты времени, принимает значения либо 0, либо π, то

где знак плюс соответствует значению фазы ϕ₁=0, а знак минус - значению фазы ϕ₂=π.

Таким образом, в данном случае комплексная огибающая сигнала является действительной функцией времени, а исходный сигнал может быть записан в виде

откуда следует, что сигнал обладает амплитудной модуляцией (AM) и фазовой манипуляцией (ФМн). При этом амплитудная модуляция определяется огибающей сигнала U(t), а фазовая манипуляция - сомножителем cosϕ(t), принимающим значение ±1.

Если фаза сигнала ϕ(t) принимает значение , то комплексная огибающая сигнала является мнимой функцией времени

Сигнал в этом случае описывается выражением

и тоже обладает амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией, определяемой сомножителем sinϕ(t)=±1.

В общем случае комплексная огибающая сигнала может быть представлена в виде суммы двух составляющих, т.е.

где индекс "в" означает действительную (вещественную) часть, а индекс "м" - мнимую.

Из последнего выражения следует, что

Таким образом, если комплексная огибающая содержит и действительную U_в(t), и мнимую U_м(t) составляющие, то фаза сигнала ϕ(t) является произвольной функцией времени и, следовательно, сигнал υ_с(t) обладает частотной (угловой) модуляцией.

Известное устройство позволяет повысить точность измерения только несущей частоты импульсных сигналов и исключает присущую супергетеродинным устройствам неоднозначность определения частоты за счет приема по дополнительным (зеркальному, комбинационным и интермодуляционным) каналам, но не обеспечивает возможности для анализа комплексной огибающей импульсных сигналов.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства путем визуального анализа комплексной огибающей принимаемого импульсного сигнала.

Поставленная задача решается тем, что устройство для измерения частоты входного сигнала панорамного радиоприемника, содержащее последовательно включенные приемную антенну, входную цель, усилитель высокой частоты, первый асинхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, первый видеоусилитель, дифференцирующую цель и вертикально-отклоняющие пластины первого осциллографического индикатора, горизонтально-отклоняющие пластины которого соединены с выходом блока формирования частной развертки, при этом управляющие входы входной цепи, усилителя высокой частоты, гетеродина и блока формирования частотной развертки соединены с соответствующими выходами блока управления, снабжено фазовращателем на 90°, вторым асинхронным детектором, вторым видеоусилителем, ключом, формирователем импульса и вторым осциллографическим индикатором, причем к выходу гетеродина последовательно подключены фазовращатель на 90°, второй асинхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, второй видеоусилитель и горизонтально-отклоняющие пластины второго осциллографического индикатора, к выходу дифференцирующей цели последовательно подключены ключ, второй вход которого соединен с выходом первого видеоусилителя, и вертикально-отклоняющие пластины второго осциллографического индикатора.

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1. Вид возможных осциллограмм показан на фиг.2 и 3. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства, изображены на фиг.4.

Устройство для измерения частоты входного сигнала панорамного радиоприемника содержит последовательно включенные приемную антенну 1, входную цепь 2, усилитель 4 высокой частоты, первый асинхронный детектор 6, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 5, первый видеоусилитель 8, дифференцирующая цепь 9 и вертикально-отклоняющие пластины первого осциллографического индикатора 10, горизонтально-отклоняющие пластины которого соединены с выходом блока 7 формирования частотной развертки, последовательно подключеные к выходу гетеродина 5 фазовращатель 11 на 90°, второй асинхронный детектор 12, второй вход которого соединен с выходом усилителя 4 высокой частоты, второй видеоусилитель 13 и горизонтально отклоняющие пластины второго осциллографического индикатора 16, последовательно подключенные к выходу дифференцирующей цепи 9, формирователь 14 импульса, ключ 15, второй вход которого соединен с выходом первого видеоусилителя 8, и вертикально-отклоняющие пластины второго осциллографического индикатора 16. При этом управляющие входы входной цепи 2, усилителя 4 высокой частоты, гетородина 5 и блока 7 формирования частотной развертки соединены с соответствующими выходами блока 3 управления.

Принцип работы предлагаемого устройства основан на использовании асинхронного метода приема и измерения несущей частоты импульсных сигналов при быстром поиске по частоте. При этом асинхронные детекторы 6 и 12 обеспечивают перенос огибающей несущей частоты на ноль с разложением на действительную (синфазную) и мнимую (квадратурную) составляющие соответственно.

Для визуального отображения комплексной огибающей предусматривается несколько различных форматов.

Синфазная и квадратурная компоненты на выходах асинхронных детекторов 6 и 12, представляющие соответственно действительную U_в(t) и мнимую U_м(t) части комплексной огибающей входного сигнала, могут визуально отображаться в виде осциллограмм в декартовых координатах. Если осциллограмма синхронизируется тактовой частотой принимаемого сигнала с дискретной манипуляцией, то визуальное отображение принимает вид так называемой "глазковой диаграммы".

Более информативным для сигналов с цифровой модуляцией оказывается векторный формат-представление комплексной огибающей в полярных координатах на комплексной огибающей в полярных координатах на комплексной плоскости. Модуль вектора отражает мгновенную амплитуду (огибающую) сигнала, а угол - текущее значение фазы. Анализ траекторий комплексного вектора при изменении времени позволяет распознать вид модуляции и оценить ее параметры.

Устройство работает следующим образом.

Поиск импульсных сигналов в заданном диапазоне частот Дƒ осуществляется с помощью блока 3 управления, который периодически с периодом Т_П изменяет по линейному закону частоту гетеродина 5 (фиг.4,а)

υ_Г(t)=U_Гcos(ω_Гt+πγt²+ϕ_Г),0≤t≤Т_П,

где U_г, ω_г, ϕ_г, Т_п - амплитуда, начальная частота, начальная фаза и период повторения частоты гетеродина;

- скорость изменения частоты гетеродина (скорость перестройки). Принимаемый импульсный сигнал, например, на частоте ω₁ (фиг.4, а)

υ₁(t)=U₁cos(ω₁t+ϕ₁), 0≤t≤τ₁,

где U₁, ω₁, ϕ₁, τ₁ - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала, после прохождения приемной антенны 1, входной цепи 2 и усилителя 4 высокой частоты одновременно поступает на первые входы асинхронных детекторов 6 и 12, на вторые входы которых подается напряжение υ_Г(t) гетеродина 5 непосредственно и через фазовращатель 11 на 90° соответственно.

Характер изменения частоты гетеродина 5 задается блоком 3 управления, который осуществляет одновременно перестройку входной цепи 2, усилителя 4 высокой частоты, гетеродина 5 и блока 7 формирования частотной развертки, при этом соблюдается условие U_Г≫U₁. Асинхронные детекторы 6 и 12 обеспечивают перенос огибающей несущей частоты на ноль с разложением на действительную U_в(t) и мнимую U_м(t) составляющие соответственно.

На выходах асинхронных детекторов образуется частотно-модулированные колебания с разностной частотой Ω(t) (фиг.4,б)

которые выделяются видеоусилителями 8 и 13 соответственно.

При отсчете времени с момента, когда Ω(t) проходит через нулевое значение (ω_гt+πγt²=ω₁), колебания на выходах асинхронных детекторов 6 и 12 можно представить выражениями:

U_в(t)=U_m(t)cos(ϕ₀-πγt²),

U_м(t)=U_m(t)sin(ϕ₀-πγt²), 0≤t≤τ₁,

где ϕ₀ - случайная начальная фаза разностного колебания в момент времени t=0;

U_m(t) - огибающая импульсного сигнала на выходе асинхронных детекторов 6 и 12.

Обозначая момент нулевых биений через t₀₁, колебание на выходах асинхронных детекторов 6 и 12 можно представить в следующем виде:

U_в(t)=U_m(t)cos[ϕ₀-πγ(t-t₀₁)²],

U_м(t)=U_m(t)sin[ϕ₀-πγ(t-t₀₁)²], 0≤t≤τ₁

Указанные колебания при имеют форму, близкую к

синусоидальной в пределах одного цикла, а при форма колебаний сильно искажается, причем характер искажений определяется начальной фазой ϕ₀.

Минимальное значение Ω(t) равно

Длительность этой области колебаний приблизительно равна

Колебание U_в(t) с выхода видеоусилителя поступает на вход дифференцирующий цепи 9, на выходе которой образуется напряжение (фиг.4, в)

Отсюда видно, что в момент нулевых биений после дифференцирующей цепи 9 напряжение равно нулю.

Обозначим ϕ(t)=ϕ₀-πγ(t-t₀)², тогда

Используя эту особенность, можно определить более точно мгновенную частоту частотно-модулированного сигнала. Отсчет указанной частоты осуществляется путем визуального наблюдения на экране осциллографического индикатора 10 с линейной разверткой напряжения (фиг.2) и калиброванных меток времени. При этом погрешность в измерении частоты составляет (0,5-1%) от всего рабочего диапазона Дƒ.

В момент нулевых биений формирователем 14 формируется импульс (фиг.4,г), который поступает на управляющий вход ключа 15 и открывает его. В исходном состоянии ключ 15 всегда закрыт. При этом низкочастотные напряжения с выходов видеоусилителей 8 и 13 поступают на вертикально-отклоняющие и горизонтально-отклоняющие пластины осциллографического индикатора 16, формируя на его экране изображение, особенности которого путем визуального наблюдения используются для определения вида модуляции принимаемого сигнала.

Следует отметить, что задача определения вида модуляции принимаемого сигнала рассматривается как задача определения характера функций U_m(t) и ϕ(t), которые в зависимости от способа кодирования передаваемой информации могут иметь как непрерывный, так и дискретный характер.

Возможный вид осциллограмм для сигналов с различными видами модуляции (манипуляции) показан на фиг.3.

Описанная выше работа устройства соответствует случаю приема импульсного сигнала на частоте ω₁ (фиг.4,а).

Если импульсный сигнал принимается на частоте ω₂, например, то работа устройства происходит аналогичным образом.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения позволяет не только повысить точность измерения несущей частоты импульсных сигналов и исключить присущую супергетеродинным панорамным радиоприемникам неоднозначность определения частоты за счет приема по дополнительным (зеркальному, комбинационным и интермодуляционным) каналам, но и визуально определить вид модуляции (манипуляции) принимаемого импульсного сигнала. Это достигается тем, что в предлагаемом устройстве спектр принимаемого импульсного сигнала высокой частоты переносится в область нулевой частоты с разложением огибающей на действительную и мнимую составляющие соответственно. Поэтому прием ложных сигналов (помех) по зеркальному, комбинационным и интермодуляционным каналам исключается.

Кроме того, предлагаемое устройство выполняет функцию векторного анализатора и в отличие от измерителей, которые оперируют со скалярными (одномерными) процессами, обрабатывает комплексные огибающие, представляющие амплитуду и фазу принимаемого импульсного сигнала. Это позволяет исследовать амплитудные и фазовые спектры, а также одновременно выделять амплитуду, фазу и частоту принимаемого импульсного сигнала и отображать их в виде спектральных, временных или векторных диаграмм.

Тем самым функциональные возможности известного устройства расширены.

Устройство содержит последовательно включенные приемную антенну, входную цепь, усилитель высокой частоты, первый асинхронный детектор, первый видеоусилитель, дифференцирующую цепь и вертикально-отклоняющие пластины первого осциллографического индикатора. Второй вход первого асинхронного детектора соединен с выходом гетеродина. Горизонтально-отклоняющие пластины осциллографического индикатора соединены с выходом блока формирования частотной развертки. При этом управляющие входы входной цепи, усилителя высокой частоты, гетеродина и блока формирования частотной развертки соединены с соответствующими выходами блока управления. К выходу гетеродина последовательно подключены фазовращатель на 90°, второй асинхронный детектор, второй видеоусилитель и горизонтально-отклоняющие пластины второго осциллографического индикатора. Второй вход второго асинхронного детектора соединен с выходом усилителя высокой частоты. К выходу дифференцирующей цепи последовательно подключены формирователь импульса, ключ и вертикально-отклоняющие пластины второго осциллографического индикатора. Второй вход ключа соединен с выходом первого видеоусилителя. Технический результат - расширение функциональных возможностей путем визуального анализа комплексной огибающей импульсных сигналов. 4 ил.

Устройство для измерения частоты входного сигнала панорамного радиоприемника, содержащее последовательно включенные приемную антенну, входную цепь, усилитель высокой частоты, первый асинхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, первый видеоусилитель, дифференцирующую цепь и вертикально-отклоняющие пластины первого осциллографического индикатора, горизонтально-отклоняющие пластины которого соединены с выходом блока формирования частотной развертки, при этом управляющие входы входной цепи, усилителя высокой частоты, гетеродина и блока формирования частотной развертки соединены с соответствующими выходами блока управления, отличающееся тем, что оно снабжено фазовращателем на 90°, вторым асинхронным детектором, вторым видеоусилителем, ключом, формирователем импульса и вторым осциллографическим индикатором, причем к выходу гетеродина последовательно подключены фазовращатель на 90°, второй асинхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, второй видеоусилитель и горизонтально-отклоняющие пластины второго осциллографического индикатора, к выходу дифференцирующей цепи последовательно подключены формирователь импульса и ключ, второй вход которого соединен с выходом первого видеоусилителя, и вертикально-отклоняющие пластины второго осциллографического индикатора.