Анализатор спектра Советский патент 1985 года по МПК G01R23/16 

I1 Изобретение относится к радиотех нике и может быть использовано в радиоэлектронных средствах различного назначения, например, в измери тельной технике. Цепь изобретения - повьшение точ ности анализа путем стабильного и непрерывного согласования линейночастотно-модулированного гетеродина и фильтра сжатия независимо от пара метров анализируемых сигналов. На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 временные диаграммы работы устройст ва. Устройство содержит преселектор 1, генератор 2 контрольного сигнала линейно-частотно-модулированньй гетеродин (ЛЧМГ) 3, индикатор 4, последовательно соединенные смеситель 5, фильтр 6 сжатия, первый ключ 7, первьй фильтр 8, первый ам1шитудный детектор 9 и вычитатель 10, причем между выходом первого ключа 7 и вто рым входом вычитателя 10 включены .последовательно второй фильтр 11 и второй амплитудный детектор 12, между выходом преселектора 1 и сигнальным входом смесителя 5 включен первьй сумматор 13, а также последовательно соединенные опорньй управляемьи генератор 14, первьй дели тель 15 частоты, первьй формирователь 16 импульсов и элемент задержки 17, последовательно соединенныевторой делитель 18 частоты, второй ключ 19 и второй формирователь 20 импульсов, при этом выходом первого форм11рователя 16 импульсов и управляющим входом второго ключа 19 включен триггер 21, между выходо первого ключа.7 и другим входом три гера 21 - третий амплитудньй детектор 22. Линейно-частотно-модулированньй гетеродин 3 выполнен в виде генератора 23 пилообразного напряжения и последовательно соединенных управляемого генератора 24, импульс но-фазового дискриминатора 25,фильтра 26 нижних частот и второго сумматора 27, выходом связанного с управляющим входом управляемого генератора 24. Устройство работает следующим образом. На вход предлагаемого устройства поступает радиосигнал произвольного 1 вида, который может быть представлен в виде суперпозиции ряда гармонических колебаний, частоты которых попадают в полосу пропускания П преселектора 1. Например, на частотно-временной диаграмме фиг. 2в.входной, радиосигнал представлен гармоническими колебаниями трех различных частот. Частоты i, и i расположены на краях полосы пропускания П преселектора 1, а частота i; - в середине этой полосы (фиг. 2в, сплошные линии). Гармоники входного сигнала через преселектор 1 и сумматор 13 поступают на сигнальньй вход смесителя 5. Кроме того, через другой вход сумматора 13 на сигнальньй вход смесителя 5 подается-также стабильное по частоте непрерывное гармоническое колебание (контрольньй сигнал), вырабатываемое генератором 2 контрольного сигнала. Для исключения искажения контрольного сигнала входным сигналом частота i контрольного сигнала расположена за пределами полосы пропускания П преселектора 1 (фиг. 2в, контрольньй сигнал условно показан штрихпунктирной линией). На гетеродинньй вход смесителя 5 с ЛЧМГ 3 поступает последовательность линейно-частотно-модулированных (ЛЧМ) радиоимпульсов с девиацией частоты длительностью г скоростью перестройки частоты i и скважностью, близкой к единице (фиг. 26, показаны первьй ЛЧМ-радиоимпульс и часть второго). При этом период следования ЛЧМ-радиоимпульсов определяется периодом следования ш пульсов запуска (фиг. 2а), которые подаются на запускающий вход ЛЧМГ 3. Они формируются следующим образом. Частота ду гармоническ1 гх высокочастотных колебаний опорного управляемого по частоте генератора 14 делится на М (целое число) раз с помощью делителя 15 частоты. Из выходных колебаний делителя 15 в формирователе 16 вырабатываются импульсы запуска длительностью лТ (фиг. 2а). В качестве.формирователя 16 могут быть использованы последовательно соединенные триггер Шмитта и ждущий блокинг-генератор. Передним фронтом импульса запуска запускается ЛЧНГ 3. В результате преобразования на смесителе 5 из гармоник входного сигнала, а также из контрольного сигнала образуются последовательности

ЛЧМ-радиоимпульсов. В частности из гармоники частоты 1, , образуется последовательность, ЛЧМ-радиоимпульсы которой обозначены индексом 1 . (фиг. 2г); ЛЧМ-радиоимпульсы с ин- 5 сексом i образуют последовательность, полученную из гармоники частоты i. ; из контрольного сигнала , образуется последовательность, ЛЧМрадиоимпульсы которой обозначены ин- о дексом КС (последовательность, соответствующая гармонике частоты

ij на фиг. 2г не показана).Девиация

частоты &tf, скорость перестройки частоты V и длительность. Т(ЛЧМ-радиоимпульсов каждой последовательности такие же, как у радиоимпульсов ЛЧМГ 3 (фиг. 26). Центральные частоты ЛЧМ-радиоимпульсов одной и той же последовательности 20 равны между собой, а центральные частоты ЛЧМ-радиоимпульсов разных последовательностей отличаются друг от друга. Разнос центральных частот равен частотному интервалу между 25 соответствующими гармониками входного сигнала. Следовательно, в р.езультате преобразования на смесителе 5 . входной сигнал разбивается на сомкнутые выборки длительностью Tj. (фиг.2г,,показана первая выборка и часть второй), каждая из которых состоит из ЛЧМ-радийимпульсов с различньми центральными частотами. . J

ЛЧМ-радиоимпульсы периодически 35 попадают в полосу пропускания Пф фильтра сжатия (фиг. 2г). На фиг.2г представлен случай, когда девиация частоты dip ЛЧМ-радиоимпульсов больше полосы пропускания П„,р фильтра 6 40 сжатия. СкоростьVj изменения частоты колебаний импульсной характеристики фильтра 6 и скорость У изменения частоты поступающих на его вход ЛЧМ-радиоимпульсов имеют 45 одинаковые абсолютные величины и противоположные знаки: При этом ЛЧМ-радиоимпульсы превра щаются фильтром 6 в сжатые импульсы (фиг, 2д). Временное положениеT. 50 сжатых импульсов зависит от частоты ij гармоник входного сигнала. В частности сжатый импульс контрольного сигнала появляется на выходе фильтра 6 через интервал времени 55

Kc (фиг. 2д, постоянную 1. /

держку to фильтра 6 считают равной

нулю) относительно переднего фронта импульса запуска (фиг. 2а); сжатый импульс гармоники частоты {, появ-.

.ляется через интервалTf,-v- Псрс -()-{ic

- о - гармонике частоты Ij соответствует

сжатьй импульс (фиг. 2д), появляющийся с задержкой на величину

( ..

Сжать1е импульсы поступают на сигнальный вход индикатора 4. Индикатор 4 представляет собой стандартный индикаторный блок с ЭЛТ, содержащий канал управления яркостью луча, а ;также каналы вертикальной и горизонтальной разверток. Вход канала вертикальной развертки является, сигнальным входом индикатора 4. Вертикальные всплески на экране ЭЛТ пропорциональны амплитуде сжатых импульсов R повторяют их форму.

Запуск горизонтальной развертки осуществляется следующим, образом. Т мпульс запуска (фиг. 2а), задержанный в эл.ементе 17 -на время itj kc (фиг. 2е), открывает на время ьТр ключ 7. Задержка i и длительность. Т выбираются так, чтобы временной интервал ьТ (фиг. 2е) соответствовал участку частот П (фиг. 2в), расположенному за пределаМи полосы пропускания П преселёктора ; 1 и включающему в себя частоту конт:рольного сигнала. При этом ключ 7 всегда пропускает сяатый импульс контрольного сигнала, а сжатые им- пульсы гармоник входного сигнала че-г рез ключ 7 не проходят, поскольку когда он открыт, их еще нет на выходе фильтра 6; когда сжатые импульсы (фиг. 2д) гармоник входного сигнала появляются на выходе фильтра 6, ключ 7 находится в закрытом состоянии. Сжатый импульс контрольного сигнала проходит через ключ 7, детектируется амплитудным детектором 22 и опрокидывает триггер 21, вследствие чего открьшается второй ключ 19, При этом разрешается прохождение колебаний делителя 18, который на К (целое число), раз делит частоту i колебаний опорного управляемого генератора 14. Из выходного напряжения делителя 18 формирователь 20 (может быть выполнен аналогично формирователю 16) вырабатывает пачку импульсов частотных меток (фиг, 2ж). Начало определяется временным Jюлoжeниeм Т ,

(.фиг, 2д, выборка 1) сжатого импульса онтрольного сигнала, а конец пачки овпадает с передним фронтом импульса запуска .следующей выборки (фиг, 2а, выборка-Д-) . По этому фронту триггер ( 21 устанавливается в исходное состояние, при котором закрывается ключ 19 и прекращается поступление колебаний на вход формирователя 20. Пач- )о ка импульсов частотных меток (фиг.2ж) поступает на вход частотных меток индикатора 4, которьй является общим входом канала горизонтальпой развертки и канала управления яркостью луча, jj Первьц-1 импульсом пачки горизонтальная развертки луча запускается, а последним (31-ьй шпульс, фиг. 2ж) срывается. {Ь-шульсы пач1си частотных меток поступают также в канал управления 20 яркостью луча, вызывая затемнения на кривой, описываемой лучом. СледоваrejibiiOf импульсы частотных меток отображаются на экране индикатора 4 J3 виде затемненных точек. 25 Период следования импульсов частотных меток определяет дискретность частотных отсчетов. По числу меток

в момент 14- появления сжатого импульса определяется частота ; . В частности первый импульс пачки частотных меток (первая метка) соответствует частоте 1 ; контрольного сигнала и является началом частотной шкалы; метка соответствует частоте , (фиг. 2д,ж).

Так осуществляется отсчет частоты при фиксированном значении скорости V; перестройки частоты ЛЧМГ 3, который согласован с фильтром 6 ( „у ) г; этом случае, линейная

частотная модуляция гармонгп входного сигнала, осуществляемая ЖМГ 3, полностью снимается после прохолодения ЛЧМ-радиоимпульсов через фильтр . 6. Высокочастотное заполнение сжатых импульсов (в том числе и сжатого мпульса контрольного сигнала) оказывается немодулированным по частоте.

Если ЛЧМГ 3 и фильтр 6 несогласованы ( ), то линейная часi io

тотпая модуляция снимается неполностью и заполнение сжатого Iiмпyльca контрольного сигнала имеет остаточную линейную частотную модуляцию. ледовательно, сжатый импульс конт- 55 ольного сигнала представляет собой ЧМ--радиоимпульс с некоторой иебольой девиацией частоты, величри5а которой зависит от степени рассогласования ЛЧМГ 3 и фильтра 6. Причем еслиV V Vj. Т° закон изменения частоты в сжатых радиоимпульсах нарастающий, если V, V - спадающий. Поэтому, чтобы оценить рассогласование ЛЧМГ 3 и фильтра 6, достаточно измерить глубину остаточной линейной частотной модуляции сжатого

импульса контрольного сигнала и определить спадает или нарастает частота его заполнения. Для этого предназначены фильтры 8 и 11, амплитудные детекторы 9 и 12 и вычитатель 10.

Фильтры 8 и 11 являются диеперсионньп.|и, причем их дисперсионные характеристики (зависимость группового времени задержки от частоты) липейные и отличаются лишь противоположным наклоном. Наклон дисперсионной характеристики определяет скорость V 1 изменения частоты импульсной характеристики фильтров

8 и 11. В данном случае скорость y изменения частоты импульсной характеристики фильтра 8 равна по абсолютной величине скорости изменения частоты импульсной характеристики фильтра 11 и противоположна ей по 3HaKy:V(, . Кроме того, дисперсионные характеристики фильтров 8 и 11 имеют такой наклон, что скорость равна среднему значению среди возможных значений скорости 1 изменения частоты заполнения сжатого импульса контрольного сигнала. Поэтому или фильтр 8 рши фильтр 11 оказывается согласованным с этим сжатым импульсом. Например, если закон изменения частоты в сжатом импульсе нарастающий, то такой импульс согласован .с фильтром 8, у которого закон изменениячастоты импульсной характеристики спадающий; если закон изменения частоты в сжатом импульсе спадающий, то согласован с ним фильтр 11 с нарастаюп(им законом изменения частоты импульсной характеристики.

Пусть ЛЧМГ 3 и фильтр 6 рассогласованы так (, что частота

/ J 1 л. j Л u i а. 33.

полнения сжатого импульса контрольного сигнала увеличивается. Этот сжатьй импульс через ключ 7 поступает одновременно на входы фштьтров 8 и 11 . После прохождения согласованного с ним фильтра 8 снимается остаточная .частотная модуляция, т.е. некачестве но сжатый фильтром 6 конТрольньш сиг нал как бы дожимается в фильтре 8 и амплитуда его возрастает. В то же время фильтр 11, наоборот, еще больш .разваливает некачественно сжатый фильтром 6 контрольный сигнал, амплитуда его уменьшается. После детектирования амплитудными детекторами 9 и 12 с помощью вычитауеля 10 формируется напряжение,, равное разности амплитуд сигналов на выходах фильтров 8 и 11. Это напряжение пропорционально величине рассогласования ЛЧМГ 3 и фильтра 6. Чем сильнее рассогласование, тем больще глубина остаточной частотной модуляции и тем больше разность амплитуд импульсов на выходах фильтров 8 и 11. Выходное напряжение вычитателя 10 равно нулю в том случае когда импульс на входах фильтров 8 и 11 немодулирован по частоте. Тогда импульсы на выходах фильтров 8 и 11 равны между собой. Выходное напряжение вычитателя 10 используется для управления скоростью Vj перестройки частоты ЛЧМГ 3 с целью его согласования с фильтром 6 сжатия При изменении V. происходит смеще.ние момента появления сжатого импульс контрольного сигнала и изменяется дли тельность временного интервала iiT, соответствующего полосе анализируемых частот. Например, если Y - V. (фиг. 26 г), то сжатый импульс контрольного сигнала появляется в момент времени (фиг. 2д), а интервал анализа становится равным ЛТ. йТд (фиг. 2г) . CмecтившIiйcя сжатый импульс контрольного сигнала по-прежнему проходит через ключ 7, так как длительность ;управляющего строба (фиг. 2е) выбирается с учетом возможных смещений ежатого импульса контрольного сигнала. Поскольку в анализаторе начало пачки j(фиг. 2з) импульсов частотных меток, привязано к сжатому импульсу контрольного сигнала, то смещение начала частотной шкалы не приводит к ошибкам при отсчете частоты. Могли бы возникнуть ошибки вследствие изменения интервала анализа. В частности, метка частоты i, (фиг. 2з, 31-й импульс) высвечивалась бы в момент времени Т Т + iT,, а на самом деле этой частоте соответствует момент времени Т, (фиг. 2з), Поэтому в анализаторе изменение скорости V перестройки частоты ЛЧМГ 3 сопровождается таким изменением периода следования импульсов частотных меток, при котором число импульсов в изменившемся интервале анализа лТ. остается постоянным (фиг. 2и) и, следовательно, соответствие частот, и числа импульсов сохраняется. Правильное согласование указанных изменений обеспечивается при использовании ЛЧМГ определенного типа, который имеет свою внутреннюю систему автоподстройки линейности изменения частоты, работающую по так называемому методу фазовой дискретизации. Она предназначена для коррекции регулярной нелинейности модуляционной характеристики управляемого генератора 24 и случайных уходов его частоты в пределах каждого ЛЧМ- радиоимпульса, что обеспечивает качественное сжатие сигналов .в фильтре 6. Формирование радиоимпульсов ЛЧМГ 3 и подстройка их линейности измене ния частоты осуществляется следующим образом. 1 На вход генератора 23 пилообраз- ;. ного напряжения поступают импульсы запуска (фиг. 2а). Передним фронтом этих Iiмпyльcoв запускается генератор 23 пилообразного напряжения, которьш вырабатывает модулирующее линейно изменяющееся напряжение. Это напряжение через сумматор 27 поступает на управляемьш по чартоте генератор 24, на выходе которого формируются радиоимпульсы с девиацией частоты uf. и длительностью Т (фиг. 26). Они подаются на гетеродинный вход смесителя 5,а также на импульсно-фазовьй дискриминатор 25, с помощью которого измеряются отклонения от линейного закона изменения частоты радиоимпульсов управляемого генератора 24. Измерения осуществляются через равные интервалы времени (интервалы дискретизации) , которые задаются опорным.сигналом, поступающим на другой вход импульсно-фазового дискриминатора 25. Через фильтр 26 нижних частот и сзт-1матор 27 сигнал коррекции поступает на управляемьш генератор 24, обеспечивая линейную перестрой-i Ку частотыформируемых радиоимпульсов. Частота Fg- опорного сигнала задае эталонное значение скорости Vt перестройки частоты. Изменяя Fg подстраивать У . В системах автоподстройки линейности по методу фазовой дискретизации ff и скорость V| перестройки частоты связаны соотношением::VF. Эта особенность ЛЧМГ учитывается при изменении частоты F следования импульсов частотных меток. Оказывает ся, чтотребуемое изменение частоты Рц обеспечивается в случае, если она связана с частотой дискретизации ff квадратичной зависимостью: где f и f и - два крайних значения частоты обрабатьшаемых сигналов (фиг. 2в), С - заданное постоянное число импульсов частотных меток в полосе частот () данном сл чае С 31 (фиг. .2ж). Соотношение (1) следует из анали за зависимости длительности ьТ интервала анализа от скорости Y пере стройки частоты ЛЧМГ 3. При изменении Fg- период следования импульсов частотных меток Т должен изменяться так, чтобы выполнялось условие Для автоматического поддержания согласования ЛЧМГ 3 и фильтра 6 тре Суются небольшие изменения скорости перестройки частоты. Поэтому в анализаторе предусмотрено одновременное изменение частоты дискретиза ции и частоты FJH следования импульсов частотных меток, которые ли- нейно связаны между собой. Осуществ- . ляется это путем деления частотыi uf общего источника колебаний (опорного управляемого генератора 14) делителями 15 и 18 с различными коэффициентами деления N и К . С промежуточного выхода делителя 15 снимается сигнал опорной частоты дискретизации а делитель 18 и формирователь 20 обеспечивают получение импульсов частотных меток с частотой Ьл едования: F.. « -. -К V Коэффициенты деления N и К находят следующим образом. При исходной скорости Vj перестройки частоты ЛЧМГ 3 известна, соответствующая ей частота дискретиза-. ции Fg . Частота опорного управляемого генератора 14 выбрана в N раз большей частоты Fx-. После становки находят козффициент деления К: -2ii , ,,. Если под воздействием выходного напряжения вычитателя 10 изменяется ioijf , то изменяется частота дискретизации Pg , поступающая в качестве опорной на импульсно-фазовый дискриминатор 25, скорость Y перестройки частоты управляемого генератора 24 и длительность йТд интервала анализа. Но при указанном выше выборе коэффициентов деления N и К частота импульсов частотных меток изменяется так, что число импульсов в пределах изменившегося интервала анализа остается неизменным (фиг. 2и). Соответствие значений частоты и числа импульсов сохраняется.

(Риг.1

АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА, содержащий преселектор, вход которого соединен с входом анализатора, генератор контрольного сигнала, линейно-частотно-модулированный гетеродин, индикатор и последовательно соединенные смеситель, фильтр сжатия, первьй ключ, первый фильтр, первьй амплитудньш детектор и вычитатель, между выходом первого ключа и вторым входом вычитателя включены последовательно соединенные второй фильтр и второй амплитудный детектор, гетеродинный вход смесителя соединен с выходом линейно-частотно-модулированного гетеродина, фильтра сжатия соединен с сигнальным входом индикатора, отличающ.ийся тем, что, с целью повышения точности анализа, в него введены первый сумматор, последоват€и1ьно соединенные опорный . управляемый генератор, первый делите частоты, первый формирователь импуль--. сов, элемент задерж1 и, последовательно соединенные второй делитель частоты, второй ключ, второй формирователь импульсов, последовательно соединенные третий амплитудньй детектор и триггер, причем первый вход первого сумматора соединен с выходом пресе. лектора, второй вход - с выходом генератора контрольного сигнала, а вы- ход - с сигнальным входом смесителя, выход вычитателя соединен с входом ;опорного управляемого генератора, выход которого подключен к входу второго делителя частоты, выход второго формирователя импульсов подключен к входу частотных меток индикатора, выход триггера соединен с управляющим входом второго ключа, выход элемента задержки через первый ключ соединен § с входом третьего амплитудного .детектора, выход первого фррмирователя им(Л пульсов подключен к второму входу триггера и входу запуска линейночастотно-модулированного гетеродина,. вход опорной частоты которого соединен с вторым входом первого делителя частоты, а линейно-частотно-модухга- рованный гетеродин выполнен в виде последовательно соединенных генератора пилообразного напряжения, второго сумматора, управляемого генератора, импульсно-фазового дискриминатора и фильтра нижних частот, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора, вход генератора .пилообразного напряжения соединен с входом запуска линейно-частотно-модулированного гетеродина, выход которого соединен с выходом управляе;мого генератора, а вход запуска :с вторым входом импульсно-фазового дискриминатора.