СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТЫ РАДИОСИГНАЛОВ В АКУСТООПТИЧЕСКОМ ПРИЕМНИКЕ-ЧАСТОТОМЕРЕ В РЕЖИМЕ СИЛЬНОГО СИГНАЛА Российский патент 2011 года по МПК G02F1/33 

Предлагаемое изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве высокоточного измерителя параметров радиосигналов в частотомерах и демодуляторах частотно-модулированных сигналов диапазона СВЧ.

Известен (см. фиг.1) способ измерения несущей частоты радиосигналов, реализованный в акустооптическом процессоре (Гуревич А.С., Нахмансон Г.С. Обнаружение и измерение частоты узкополосных радиосигналов на фоне помех в акустооптоэлектронном спектроанализаторе // Известия ВУЗов СССР - Радиоэлектроника. - 1981. - Т.24. - №4. - С.26-33), заключающийся в том, что сигнал S(t), частота которого подлежит измерению, подают на электрический вход акустооптического дефлектора 2, где он преобразуется в акустический сигнал, с которым взаимодействует лазерное излучение 1, в результате чего формируют световой сигнал, над которым с помощью линзы 3 выполняют операцию оптического интегрирования с последующим детектированием при помощи линейки фотоприемников 4, состоящей из дискретного набора фотодиодов, формирующих набор видеосигналов, обрабатывая которые электронной системой 5 и решающим устройством 6, определяют порядковый номер фотодиода с максимальным уровнем сигнала и значение частоты сигнала S(t), соответствующей найденному номеру.

Признаками аналога, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, являются подача радиосигнала на электрический вход акустооптического дефлектора, его преобразование в дефлекторе в акустический аналог, преобразование акустического аналога в световой сигнал, операция оптического интегрирования (операция Фурье-преобразования в заявляемом способе), детектирование светового сигнала фотодиодами линейки фотоприемников, формирование на их выходах видеосигналов с последующей обработкой и вычислением частоты радиосигнала, отождествляемой с абсциссой оси симметрии распределения интенсивности светового сигнала, продетектированного фотодиодами.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является низкая точность измерения частоты в режиме сильного сигнала. В названном режиме несколько фотодиодов линейки фотоприемников 4 находятся в насыщении, из-за чего определение фотодиода с максимальным сигналом осуществляется с большой погрешностью. Как следствие, погрешность измерения частоты описанным способом-аналогом может существенно превысить частотный интервал ΔF между фотодиодами.

Известен также способ (см. фиг.2) измерения несущей частоты радиосигналов, реализованный в акустооптическом приемнике-частотомере (Роздобудько В.В., Дикарев Б.Д. Высокоточный акустооптический приемник-частотомер комбинированного типа // Радиотехника. 2003. - №9. - С.31-36), заключающийся в том, что сигнал S(t), частота которого подлежит измерению, подают на электрический вход акустооптического дефлектора, где он преобразуется в акустический сигнал, с которым взаимодействует лазерное излучение, в результате чего формируют световой сигнал, над которым с помощью интегрирующей линзы 3 выполняют операцию Фурье-преобразования и детектирование при помощи линейки фотоприемников 4, формирование на их выходах видеосигналов, которые усиливают затем видеоусилителями 7, сравнивают с пороговым уровнем в пороговых устройствах 8 (при превышении порогового уровня уровнем видеосигнала пороговое устройство срабатывает) с последующим грубым определением частоты радиосигнала регистрирующим устройством I-9 и уточнением частоты с использованием коммутатора 10, дискриминатора 11 и регистрирующего устройства II-12 путем сопоставления уровней сигналов U_п и U_з, снимаемых с двух крайних фотодиодов, уровни которых превышают уровень 14 (фиг.3) срабатывания пороговых устройств и путем уточнения положения максимума распределения светового сигнала 13 (фиг.3), продетектированного фотодиодами линейки фотоприемников.

Признаками аналога, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, являются подача радиосигнала на электрический вход акустооптического дефлектора, его преобразование в дефлекторе в акустический аналог, преобразование акустического аналога в световой сигнал, операция Фурье-преобразования, детектирование светового сигнала фотодиодами линейки фотоприемников, формирование на их выходах видеосигналов с последующей обработкой и вычислением частоты радиосигнала, отождествляемой с абсциссой оси симметрии распределения интенсивности светового сигнала, продетектированного фотодиодами.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является крайне низкая точность измерения частоты радиосигналов в режиме сильного сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ-прототип, реализованный в акустооптическом частотомере (фиг.4) (Роздобудько В.В. Широкополосные акустооптические измерители частотных и фазовых параметров радиосигналов // Радиотехника. - 2001. - №1. - С.79-92) и заключающийся в том, что на электрический вход акустооптического дефлектора 2 подают измеряемый радиосигнал S(t), в акустооптическом дефлекторе он преобразуется в акустический сигнал, с которым взаимодействует оптическое излучение, сформированное лазером 15 и коллиматором 16, в результате чего формируют световой сигнал, над которым с помощью линзы 3 выполняют операцию Фурье-преобразования с последующим детектированием при помощи линейки фотоприемников 4, состоящей из дискретного набора фотодиодов, формирующих набор видеосигналов, которые усиливают затем видеоусилителями 7, сравнивают с пороговым уровнем в пороговых устройствах 8 (при превышении порогового уровня уровнем видеосигнала пороговое устройство срабатывает), далее определяют номера первого m_п и последнего m_з сработавшего порогового устройства (см. фиг.5, на котором: 13 - распределение светового сигнала, продетектированное фотодиодами линейки фотоприемников, 14 - уровень порога) и определяют частоту радиосигнала при помощи решающего устройства 6 по формуле

где f_H - начальная частота диапазона частот частотомера, Δf_Σ - его полоса пропускания, N - число фотодиодов в линейке фотоприемников 4.

Признаками прототипа, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, являются подача радиосигнала на электрический вход акустооптического дефлектора, его преобразование в дефлекторе в акустический аналог, преобразование акустического аналога в световой сигнал, операция Фурье-преобразования, детектирование светового сигнала фотодиодами линейки фотоприемников, формирование на их выходах видеосигналов с последующей обработкой и вычислением частоты радиосигнала, отождествляемой с абсциссой оси симметрии распределения интенсивности светового сигнала, продетектированного фотодиодами.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является низкая точность измерения частоты радиосигналов, которая для полосы рабочих частот процессора Δf_Σ и числа фотодиодов N в линейке фотоприемников не превышает величины 0,25(Δf_Σ/N), что соответствует четверти частотного интервала между фотодиодами. Кроме того, при работе в режиме сильного сигнала (в режиме ограничения) возможны грубые погрешности измерения частоты, связанные с превышением порогового уровня боковыми лепестками распределения интенсивности светового сигнала. Вследствие такого превышения могут быть неправильно определены номера m_п и m_з, используемые в формуле (1) для вычисления частоты, что приведет к грубым ошибкам в ее определении. Если же для избавления от грубых ошибок увеличить уровень порога, то это приведет к сужению линейного участка динамического диапазона.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение точности измерения частоты радиосигналов, поступающих на вход измерителя, при работе его в нелинейной части динамического диапазона (в режиме ограничения или в режиме насыщения фотодиодов).

Технический результат достигается тем, что устанавливают порог в верхней части линейного участка амплитудной характеристики фотодиодов, определяют уровни сигналов ниже порога на четырех фотодиодах с ближайшими к порогу уровнями, далее обозначают уровни сигналов на этих фотодиодах y_A, y_B, y_C и y_D, а соответствующие этим уровням частоты обозначают в порядке возрастания частоты f_A, f_B, f_C, f_D, затем убеждаются в том, что частоты f_A и f_B находятся ниже по частоте участка ограничения сигнала, образованного порогом, а частоты f_C и f_D - выше, далее сравнивают сигналы на фотодиодах и, если у_А>y_C, вычисляют частоту f₀ по формуле f₀(f_C+f_A-Δf₁)/2, где Δf₁=Δf(у_А-y_C)/(y_A-y_B), в противном случае частоту f₀ вычисляют по формуле f₀=(f_C+f_A+Δf₂)/2, где Δf₂=ΔF(y_C-y_A)/(y_C-y_D), ΔF - частотный интервал между фотодиодами.

Для достижения технического результата в способе определения частоты радиосигнала в акустооптическом приемнике-частотомере, заключающемся в том, что на электрический вход акустооптического дефлектора подают анализируемый радиосигнал, где преобразовывают его в акустический и далее в оптический сигнал, затем подвергают его Фурье-преобразованию с фиксацией распределения его интенсивности N-элементной линейкой фотодиодов, далее формируют на их выходах видеосигналы, после чего вычисляют частоту радиосигнала, отождествляемую с абсциссой оси симметрии распределения интенсивности светового сигнала, дискретизированного фотодиодами, устанавливают порог в верхней части линейного участка амплитудной характеристики фотодиодов, определяют уровни сигналов ниже порога на четырех фотодиодах с ближайшими к порогу уровнями, далее обозначают уровни сигналов на этих фотодиодах y_A, y_B y_C и y_D, а соответствующие этим уровням частоты обозначают в порядке возрастания частоты f_A, f_B, f_C, f_D, затем убеждаются в том, что частоты f_A и f_B находятся ниже по частоте участка ограничения сигнала, образованного порогом, а частоты f_C и f_D - выше, далее сравнивают сигналы на фотодиодах и, если y_A>y_C, вычисляют частоту f₀ по формуле f₀=(f_C+f_A-Δf₁)/2, где Δf₁=ΔF(у_А-y_C)/(y_A-y_B), в противном случае частоту f₀ вычисляют по формуле f₀=(f_C+f_A+Δf₂)/2, где Δf₂=ΔF(y_C-y_A)/(y_C-y_D), ΔF- частотный интервал между фотодиодами.

Сравнивая предлагаемый способ с прототипом, видно, что он содержит новые признаки, т.е. соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, видно, что заявляемый способ соответствует критерию «существенные отличия», так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки.

Для доказательства существования причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом рассмотрим сущность предлагаемого способа измерения частоты и сопоставим его со способом-прототипом и способами-аналогами.

Сущность заявляемого способа заключается в следующем. На фиг.6 в координатах частота-уровень показаны два возможных варианта (а и б) распределений интенсивности светового сигнала на фотоприемнике в режиме сильного сигнала (в режиме ограничения). Абсциссы точек В, А, С, D соответствуют частотам точной настройки фотодиодов фотоприемника (f_B, f_A, f_C и f_D). Ординаты точек В, А, C, D равны уровням сигналов на фотодиодах (y_B, y_A, y_C и y_D). Частотный интервал между фотодиодами равен ΔF. На выходах фотодиодов, находящихся в насыщении (интервал RS), сигнал максимален (ограничен). Распределение интенсивности светового сигнала симметрично относительно оси F, абсцисса которой равна частоте радиосигнала.

Суть предлагаемого способа измерения частоты состоит (см. фиг.6а) в определении положения на оси частот абсцисс точек С и G, т.е. значений f_C и f_G. Они симметричны относительно F, и потому абсцисса оси F, т.e. частота радиосигнала f₀ определяется как среднее арифметическое частот f_C и f_G по формуле

В этой формуле частота f_C известна, а точка G лежит на прямой АВ. Абсциссу f_G можно вычислить по формуле

где Δf - неизвестный частотный интервал GE между точками G и Е. Для его поисков воспользуемся свойствами подобных треугольников ВАН и GAE. Составим пропорцию AH/BH=AE/GE, откуда искомый отрезок GE (интервал Δf) определяется по формуле:

Но частотный интервал между точками ВН - это частотный интервал ΔF между фотодиодами, величины АЕ и АН вычисляются по формулам:

Таким образом,

После подстановки вычисленного Δf=Δf₁ в (3) и вычисленной f_G в (2) получим искомое положение оси симметрии распределения:

Формула (9) справедлива для случая, когда y_A>y_C. Для альтернативной ситуации, показанной на фиг.6б, аналогичные формулы для вычисления частоты имеют вид:

Пример последовательности действий, направленных на измерение частоты радиосигнала, в соответствии с заявляемым способом включает в себя следующие шаги.

1. Устанавливают порог Up в верхней части линейного участка амплитудной характеристики фотодиодов. Этот шаг необходим, поскольку реальные амплитудные характеристики фотодиодов, как правило, не имеют явно выраженного участка ограничения.

2. Измеряют (см. фиг.6) уровни сигналов y_A, y_B, y_C, y_D. Все они должны быть ниже порога Up. При этом один из уровней сигналов у_A или у_C должен быть ближайшим к порогу Up уровнем.

3. Сравнивают сигналы y_A и y_C. В случае y_A>y_C (фиг.6а) применяют для вычислений частоты формулы (8) и (9), в альтернативном случае (фиг.6б) применяют формулы (10) и (11).

Можно показать, что по сравнению с прототипом максимальная погрешность измерения частоты заявляемым способом в режиме сильного сигнала может снизиться на порядок и более. Использование заявляемого способа измерения частоты в акустооптическом измерителе позволит улучшить технические характеристики данного устройства за счет увеличения точности измерения.

Настоящее изобретение касается способа определения частоты радиосигнала в акустооптическом приемнике-частотомере в режиме сильного сигнала. Заявленный способ заключается в том, что на электрический вход акустооптического дефлектора подают анализируемый радиосигнал, где преобразовывают его в акустический и далее в оптический сигнал, затем подвергают его Фурье-преобразованию с фиксацией распределения его интенсивности N-элементной линейкой фотодиодов, далее формируют на их выходах видеосигналы, после чего вычисляют частоту радиосигнала, отождествляемую с абсциссой оси симметрии распределения интенсивности светового сигнала, дискретизированного фотодиодами. При этом устанавливают порог в верхней части линейного участка амплитудной характеристики фотодиодов и определяют уровни сигналов ниже порогов на четырех фотодиодах с ближайшими к порогу уровнями, далее обозначают уровни сигналов на этих фотодиодах y_A, y_B, y_C и y_D, а соответствующие этим уровням частоты обозначают в порядке возрастания частоты f_A, f_B, f_C и f_D, затем убеждаются в том, что частоты f_A и f_B находятся ниже по частоте участка ограничения сигнала, образованного порогом, а частоты f_C и f_D - выше, далее сравнивают сигналы на фотодиодах и, если y_A>y_C, вычисляют частоту f₀ по формуле f₀=(f_C+f_A-Δf₁)/2, где Δf₁=ΔF(y_A-y_C)/(y_A-y_B), в противном случае частоту f₀ вычисляют по формуле f₀=(f_C+f_A+Δf₂)/2, где Δf₂=ΔF(y_C-y_A)/(y_C-y_D), где ΔF - частотный интервал между фотодиодами. Данный способ позволяет повысить точность измерения частоты радиосигналов в режиме сильного сигнала. 6 ил.

Способ определения частоты радиосигнала в акустооптическом приемнике-частотомере, заключающийся в том, что на электрический вход акустооптического дефлектора подают анализируемый радиосигнал, где преобразовывают его в акустический и далее в оптический сигнал, затем подвергают его Фурье-преобразованию с фиксацией распределения его интенсивности N-элементной линейкой фотодиодов, далее формируют на их выходах видеосигналы, после чего вычисляют частоту радиосигнала, отождествляемую с абсциссой оси симметрии распределения интенсивности светового сигнала, дискретизированного фотодиодами, отличающийся тем, что устанавливают порог в верхней части линейного участка амплитудной характеристики фотодиодов, определяют уровни сигналов ниже порога на четырех фотодиодах с ближайшими к порогу уровнями, далее обозначают уровни сигналов на этих фотодиодах y_A, y_B, y_C и y_D, а соответствующие этим уровням частоты обозначают в порядке возрастания частоты f_A, f_B, f_C и f_D, затем убеждаются в том, что частоты f_A и f_B находятся ниже по частоте участка ограничения сигнала, образованного порогом, а частоты f_C и f_D - выше, далее сравнивают сигналы на фотодиодах и, если y_A>y_C, вычисляют частоту f₀ по формуле f₀=(f_C+f_A-Δf₁)/2, где Δf₁=ΔF(y_A-y_C)/(y_A-y_B), в противном случае частоту f₀ вычисляют по формуле f₀=(f_C+f_A+Δf₂)/2, где Δf₂=ΔF(y_C-y_A)/(y_C-y_D), где ΔF - частотный интервал между фотодиодами.