Акустооптический спектроанализатор Советский патент 1987 года по МПК G01R23/17 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для спектрального анализа амплитуды и измерения фазы широкополосных радиосигналов в реальном масштабе времени.

Целью изобретения является повышение быстродействия при измерении фазы частотных составляющих радиосигнала.

На фиг,1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - функциональная схема блока управления; на фиг.З - функциональ-. Яая схема перестраиваемого фильтра; на фиг.4 - функциональная схема управляемого усилителя; на фиг.З - временные диаграммы работы устройства. Акустооптический спектроанализатор содержит лазер 1, выход которого через последовательно соединенные коллиматор 2, светоделитель 3, акус- тооптический модулятор 4, линзу 5, диафрагму 6, JTMH3y 7 и светоделитель 8 оптически соединен с входом фотоприемника 9. Выход последнего через перестраиваемый фильтр 10 соединен с входами преобразователя 11 амплитуда-код и формирователя 12 импульсов, выход которого через последовательно соединенные триггер 13, интегратор 14 и управляемый усилитель 15 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 16. Выходы последнего и выход преобразователя 11 являются соответственно первыми и вторыпи выходными шинами. Второй выход светоделителя 3 через зеркало 17 акустооптический модулятор 18, линзу 19, диафрагму 20, линзу 21 и зеркало 22 оптически соединен с вторым входом светоделителя 8. Вход акустоопти ческого модулятора 18 соединен с выходом генератора 23 частоты и входом синхронизируемого генератора 24 частоты, выход которого через формирователь 25 импульсов соединен с вторым входом триггера 13. Вход блока 26 управле п1я является шиной пуска, а выходы соединены с соответствующими управляющими входами перестраиваемого фильтра 10 и управляемого усилителя 15.,Вход акустооптического модулятора 4 является входной шиной.

Блок 26 управления (фиг.2) содержит генератор 27 импульсов, выход которого соединен с входом ксльцево- I o регистра 28 сдвига, выходы кото0

5

0

рого являются выходами блока управления .

Перестраиваемый фильтр (фиг.З) содержит резистор 29, через катушку 30 индуктивности соединенный с первыми обкладками конденсаторов 31, вторые обкладки которых через ключи 32 соединены с обидей шиной. Управляющие входы ключей 32 являются управляющими входами перестраиваемого фильтра 10.

Управляемый усилитель (фиг.4) содержит резистор 33, соединенный с входом усилителя 34 и через резисторы 35 и ключи 36 с его выходом. Управляющие входы ключей 36 являются управляющими входами управляемого усилителя 15. .

На временной диаграмме (фиг.5) обозначены: U - напряжение на выходе синхронизируемого генератора 24; и-г - напряжение на выходе перестраиваемого фильтра 10; 1 напряжение 5 на выходе формирователя 25; U - напряжение на выходе формирователя 12; и j- - напряжение на выходе триггера 13; Ug - напряжение на выходе интегратора 14.

Акустооптический спектроанализатор работает следующим образом.

Луч лазера 1 расширяется коллиматором 2 и освещает окустооптические модуляторы 4 и 18. На модулятор 4 подается входной широкополосный радиосигнал, а на модулятор 18 - сину- соидальньм сигнал от генератора 23. Линза 5 фиксирует пучок в плоскость диафрагмы 6, которая выделяет только первые порядки дифрагированных на модуляторе 4 пучков. В фокусе линзы 5 получается спектр сигнала.

Линза 7 проецирует изображение спектра через светоделитель 8 на фотоприемник 9. Линза 19 фокусирует пучок в плоскость диафрагмы 20, которая выделяет первый порядок дифрагированного на модуляторе 18 пучка.

Линза 21 проецирует дифрагированный пучок через зеркало 22 и светоделитель 8 на фотоприемник 9 так, чтобы этот опорный пучок перекрыл сигнальный пучок от модулятора 4.

В плоскости фотоприемника 9 пучки будут интерферировать. Тогда можно записать следующее выражение для интенсивности интерферирующих пучков каждой i-й частотной составляющей радиосигнала:

0

5

0

5

0

5

I. А : -t-A +2A,, A

«con

c,

on

+ Ф;(х,0)+(и,

преобразованная no Фурье амплитуда i-й частотной составляющей радиосигнала; амплитуда опорного пучка; координата в плоскости фотоприемника;

и.

опорного сигнала на выходе генератора 23; частота i-й частотной составляющей радиосигнала; фаза i-й частотной составляющей.

кая система обеспечивает по частоте

частота

uf fiiF/N

(2)

где uF - полоса частот;

N - количество разрешимых частотных составляющих радиосигнала. Частота f выбирается равной:

.)

где

ллин о

-д F/2 - минимальная частота в полосе частот uF ;

fg - несущая частота. выражении (1) разность

можно записать как

fg,,

on fMHH- ufa-1) ,„ +

(4)

где i 1,2,3,...N.

Из выражения (4) видно, что при указанном выборе f,, оптическая система разрешает частоты, кратные друг другу. Выражение (1) можно представить в виде:

, АОП

,.А,,

(5)

-::-sino(.+Ф; (х,о) + . cj .

Для измерения фазы Ф; (х,о) каждой частотной составляющей радиосигнала предназначен генератор 24, синхронизируемый от генератора 23. Частоту генератора 24 выбирают равной и f (фиг.5). С этим сигналом сравнивают сигналы, получаемые на выходе фотоприемника 9.

Воспроизводимые фотоприемником 9 сигналы поступают на перестраиваемый

5

фильтр. Постоянная составляющая в выражении (5) отфильтровывается на выходе фотоприемника 9 разделительным конденсатором (не показан ), Перестраиваемый фильтр 10 является резонансным фильтром, резонансная частота которого

10

О

/,

где L и С - соответственно индуктивность катушек 30 и емкость одного из конденсаторов 31.

Подключая с помощью ключей 32 различные емкости, можно управлять выбором резонансной частоты. При этом для каждой измеряемой частотной составляющей резонансную частоту выбира- ют равной fp uf-i .

Таким образом, на выходе фильтра 10 выделяется из широкополосного

сигнала сигнал

I

25

X cos

и.25-А,,А,„х S Ф; (х, о) + if . i . t , (6)

с

30

где S - коэффициент передачи фотоприемника совместно с фильтром.

Далее этот сигнал поступает на преобразователь 11, который преобразует спектр амплитуды в код, измеряет амплитуду сигнала в выраже НИИ (6).

Таким образом, на выходах преоб- ,разователя 11 сформированы цифровые значения спектра амплитуд каждой

40 частотной составляющей радиосигнала.

Для измерения фазы Ф; (х,о) сигнал Uj(см. выражение 6 и фиг. 5). сравнивается с напряжением и I на выходе генератора 24. Напряжения U, и Uj тупают на формирователи 25 и 12, которые формируют импульсы в моменты перехода напряжений через нуль (напряжения и, и и на фиг.5) Эти импульсы поступают на триггер 13, на выходе которого формируется временной интервал (напряжение и 5 на фиг.5), дли- телыюсть которого

50

i(x o2l1

Zir-if.i

(7)

55

Из выражения (7) видно, что t; зависит и от произведения (uf-i ),кото- рое меняется в зависимости от выделяемой частотной составляющей.

В выражении (7) слагаемое

1Л

sincii 0 за счет выбора угла об 0. Импульсы с выхода триггера 13 поступают на интегратор 14, напряжение на выходе которого

1

вЫ)1

-i-J

.t -а

rn

(8)

где Т - период повторения напряжения

и..

Для компенсации изменения (bf i) предназначен управляемый усилитель 15, коэффициент которого может изменяться за счет коммутации резисторов 35 различных номиналов ключами 36. При этом коэффициент передачи усилителя 15 выбирают равным:

К си

(9)

где с - коэффициент пропорциональности.

Тогда сигнал на выходе усилителя 15 с учетом формул .(7), (8) и (9) будет равен:

и

Ujr . л12±2) .

,ГЧ J-X . (-

2 ir U f . i

с- 1

) 2 ir Т Л

(10)

Из выражения (10) видно, что напряжение не зависит от частоты сигнал на выходе фильтра 10, что позволяет обеспечить измерение фазы каждой частотной составляющей сигнала.

Аналого-цифровой преобразователь 16 преобразует напряжение в код, пропорциональный измеряемой фазе. Управление работой устройства осуществляется блоком 26. По команде Пуск запускается генератор 27, импульсы с выхода которого поступают на вход кольцевого регистра 28, на выходах которого последовательно появляются импульсы, коммутирующие ключи 32 и 35 соответственно в фильтре 10 и управляемом усилителе 15. По окончании процесса измерения кольцевой регистр 28 обнуляется и устройство готово к новому измерению.

Наибольшее время преобразования фазы одной частотной составляющей в код определяется максимально возможным временным интервалом, которьш равен полупериоду напряжения, т.е. для измерения фазы N составляющих

(11 )

Предлагаемое; устроГютво работает в реальном масштабе времени, что обеспечивает повышение быстродействия при измерении фазы частотных составляющих радиосигнала по сравнению с прототипом.

10

Формула изобретения

Акустооптический спе троанализа- тор, содержащий лазер, выход которого через коллиматор оптически соединен с входом первого светоделителя, первый выход которого через последовательно расположенные первый акусто- оптический модулятор, электрический вход которого является входной шиной спектроанализатора, первую линзу, первую диафрагму, вторую линзу и второй светоделитель оптически соединен с входом фоторегистрирующего устройства, второй выход первого светоделителя через последовательно расположенные первое зеркало, второй акустооптический модулятор, электрический вход которого подключен к выходу генератора частоты, третью линзу, вторую диафрагму, четвертую линзу, второе зеркало и второй светоделитель оптически соединен с входом фоторегистрирующего устройства, о т- л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью

повышения быстродействия, фоторегист- рнрующее устройство выполнено в виде фотоприемника, выход которого через перестраиваемьш фршьтр соединен с входом преобразователя ампгштуда-код.

выходы которого являются первыми выходными шинами спектроанализатора, и через последовательно соединенные первый формирователь импульсов, триггер, интегратор и управляемый усилитель - с входом аналого-цифрового преобразователя, выходы которого являются вторыми ВЫХОДНЫМ шинами спектроанализатора, причем второй вход триггера через последовательно соединенные с1П1хронизирую1ций г енератор частоты и второй формирователь им- пульсов подключен к выходу генератора частоты, а управляющие входы перестраиваемого фильтра и управляемого усилителя подключены к соответствующим выходам блока управления, вход которого является шиной Пуск.

Z8

26

л 11

иг.2

Л .5

Фиг.и

I

Ф1/«5

Редактор А.Лежннна

Составитель И.Коновалов

Техред И.Попович Корректор Е.Рошко

Заказ 4126/43Тираж 730Подписное

ВНИИ11И Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва Ж-35, Раушская наб., д.А/5

Произво;1ственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для спектрального анализа амплитуды и измерения фазы широкополосных радиосигналов в реальном масштабе времени. Целью изобретения является повьш1ение быстродействия при измерении фазы частотных составляющих радиосигналов. Для достижения поставленной цели фо- торегистрирующее устройство выполнено в виде приемника 9, выход которого через перестраиваемый фильтр 10 соединен с входами преобразователя 11 амплитуда - код и формирователя 12 импульсов. На чертеже также показаны лазер 1, коллиматор 2, светоделители 3и 8, акустооптические модуляторы 4и 18, линзы 5, 7 19 и 21, диафрагмы 6 и 20, триггер 13, интегратор 14, зеркало 22, генератор 23 частоты, синхронизируемый генератор 24 частоты, формирователь 25 импульсов. Устройство работает в реальном масштабе времени, чем обеспечивается повышение быстродействия при измерении фазы частотных составляющих радиосигналов по сравнению с прототипом. 5 ил. (С с/) Вб1)од1 00 со 00 о ел