Акустооптический анализатор спектра Советский патент 1991 года по МПК G01R23/17 

Фиг.1

Изобретение относится к радиоиз- мерительной технике и предназначено для визуального анализа спектра ис- следуемых сигналов и определения вида их модуляции.

Целью изобретения является повышение достоверности визуального определения вида модуляции принимаемого сигнала.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого анализатора; на фиг.2 - возможный вид осцилло- грамм на экранах блоков индикации; на фиг.З - схема взаимного располо- жения символьных частот сигналов с многократной частотной манипуляцией; на фиг.4 - схема изменения фазы часто тно-манипулированного сигнала

Акустооптический анализатор спект ра содержит лазер 1, на пути распространения пучка света которого установлены коллиматор 2 и четыре ячейки 3.1-3.4 Брэгга. На пути дифрагированного пучка света установлена соответствующая линза 4.1 (4.2-4.4), в фокальной плоскости которой размещается соответствующая матрица 5.1 (5.2-5.4) фотсдетекторсв, выход которой соединен с соответствующим бло ком 6.1 (6.2-6.4)- индикации. К выходу приемной антенны 7 последовательно подключены преобразоватьпь 8 частоты и усилите Ь 9 промежуточной частоты, выход которого соединен с двумя входами перемножителя 10.1, через полосовой фильтр 11.1 соединенно го с двумя входами перемножителя 10.2, через полосовой фильтр 11.2 подключенного к двум входам перемно- жителя 10.3, выходом соединенного с входом полосового фильтра 11.3. К выходу усилителя 3 промежуточной частоты и каждого полосового фильтра 11.1 (11.2, 11.3) подключена соот- ветствующая ячейка 3.1 (3.2-3.4) Брэгга.

Анализатор спектра работает следующим образом.

Сигнал, принятый антенной 7, по- ступает на вход преобразователя 8 частоты, состоящего из смесителя и гетеродина. Преобразованный по частоте сигнал выделяется усилителем 9 промежуточной частоты и поступает на ячейку 3.1 Брэгга, где происходит преобразование сигнапа в акустическое колебание. Пучок света от лазера 1, сколлимированный коллиматором

2, проходит через ячейки 3.1-3.4 Брэгга и дифрагирует на акустических колебаниях, возбужденных сигналом. На пути распространения дифрагируемой части пучка света устанавливают- ся линзы 4.1-4.4. В фокальных плоскостях указанных линз, формирующих пространственный спектр принимаемого сигнала, установлены матрицы 5.1-5.4 фотодетекторов. Каждому разрешаемому элементу анализируемого частотного диапазона соответствует счой фотодетектор. Ячейка 2.1 (3.2-3.4) Брэгга состоит из звукопровода и возбуждающей гиперзвук пьезоэлектрической пластины, выполненной из кристалла ниобата лития соответственно X и Y - 35° среза. Это обеспечивает автоматическую подстройку по углу Брэгга и работу ячейки в широком диапазоне частот. В качестве блоков 6.1-6.4 индикации могут быть использованы осциллографические индикаторы.

Еспи на вход анализатора спектра поступает сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн), то его аналитически можно записать следующим образом:

Uc(t) Vccos 2lTfct + lfk(O +С{е

О 6 t и Тс,

где Vc,fc,tfc,Tc - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительност сигнала соответст- венно;

C|i,(t) манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции, причем CP|,(t) const при

(к+оЈц и

может изменяться скачком при с у т.е. на границах между элементарны- ми посылками (,

2N-1);

Ј N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью .

Если на одной несущей частоте дискретная информация передается от

51Ь

одного источника сообщения, то целесообразно использовать однократную (бинарную) фазовую манипуляцию (ФМн-2, Cplc(t:)0, n ). Для передачи сообщении от двух источников исполь- зуется двухкратная фазовая манипуляция (ФМн-4, (t)0, ,ft , j-iT), причем от одного источника фаза манипу- лируется по закону ft, а от другого -

Т Злпо закону -, -И. Для передачи сообщений от трех источников используется трехкратная фазовая манипуляция

(ФМн-8, lpK(t)-0, |, |, |МГ, , 2 iT,

В общем случае на одной несущей частоте одновременно можно передавать сообщения от п источников, используя для этого n-крагную фазовую манипуляцию. Однако целесообразными являются одно-, двух- и трехкратная фазовые манипуляции. Дачьнейшее повышение кратности фазов.ой манипуляции ограничивается тем, что уменьшается расстояние между элементарными сигналами и в существенной мере снижается помехоустойчивость канала связи.

Принимаемый ФМн-2-сигнал с выхода антенны 7 поступает на вход преобразователя 8 частоты, на выходе которого образуется напряжение

Unp(tbVnpcoS 2lUnpt+4 k(t) О Ј t Ј Тс,

где Vnp 1 К VcVr, Cfk(t) OS ;

К - коэффициент передачи смесителя ;

- промежуточная частота;

c Cpr- промежуточная начальная фаза;

Vr.fr.

- амплитуда, частота и начальная фаза напряжения гетеродина соответственно.

Это напряжение выделяется усилителем 9 промежуточной частоты и поступает на ячейку 3. 1 Брэгга и на два. входа перемножителя 10, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

6

U, (О V,cos(47fnpt + 2Српр), О t Тс,

где V, 1 K,vjp;

К - коэффициент передачи пере-

множителя.

Так как 2lfK(t) 0,27, то в ука- занном напряжении фазовая манипуляция уже отсутствует. Напряжение U((t) выделяется полосовым фильтром и поступает на ячейку 3.2 Брэгга и на два входа перемножителя 10.2, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

U4(t) V2cos(8frfnpt + Atpnp),

О t Тс, |2

где V K,V.

Это напряжение выделяется полосовым фильтром 11.2 и поступает на ячейку 3.3 и на два входа перемножителя 10.3, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

U3(t) V3eos(16fifnf,t + ), О б t Те, где V3 i K,V2Z,

Это напряжение выделяется полосовым фильтром 11.3 и поступает на ячейку З.А Брэгга. 5 Ширина спектра ФМн-2-сигнала fc

определяется длительностью I, элемен

| ч тарных посылок (Д С л) , тогда как

-ц

ширина спектра второй Af, четвертой № и восьмой A f гармоник определи- ется длительностью ТЈ сигнала (ufg™

&f(L ufg г). Следовательно, при

ТС умножении фазы на два, четыре и

восемь спектр ФМн-2-сигнала свора„ „.АЈс Afc &fe

чивается в N раз щ щ - д-|- N) и трансформируется в одиночные спектральные составляющие Это обстоятельство и является признаком распознавания ФМн-2 сигнала. Спектры принимаемого и его гармоник визуально наблюдаются на экранах индикаторов 6.1-6.4 соответственно

5

(фиг.2а).

Если на вход анализатора спектра поступает ФМн-4 сигнал (t) - О,

9 Т° Н3 ВЫХ°Де ПОЛОСОВОГО

фильтра 11.1 образуется ФМн-2-сигнал (t) О, IT, 2fr, , а на выходе полосовых фильтров 1 I .2 и 1. образуются соответствующие гармонические напряжения U«(t) и Uj(t). В этом случае на экранах индикаторов 6.1 и .6.2 наблюдаются спектры ФМн-4- и ФМн-2-сигналов, на экранах индикато- ров 6.3 и 6.4 наблюдаются одиночные спектральные составляющие (фиг.26).

Если на вход анализатора пустула- ет ФМн-8-сигнал UL(t) 0 Ч Г

Зг -1 -I i.

л. /у 5л- Зл- /лТ11 9 Z ТО НЭ вых°Дах полосовых фильтров 11.2 и 11.3 образуются ФМн-4 и ФМн-2-сигналы, а на выходе полосового фильтра 11,4- гармоническое напряжение Ug(t). В этом случае на экранах индикаторов 6.1-6.3 наблюдаются спектры ФМн-8-, и ФМн-2-сигналов, а на экране индикатора 6.4 - одиночная спектраль ная составляющая (фиг.2в).

Среды сложных сигналов с частотно манипуляцией (ЧМн) широко распространены сигналы с минимальной частотной манипуляцией (ЧМн-2), с дуобинар ной частотной манипуляцией (ЧМн-3) и со скругленной частотной манипуляцией () (фиг.З).

Сложный ЧМн-2-сигнал аналитически описывается выражением

Uc(t)-Vccos 2vTfCp t+qKO + Cfc,

о Јt Ј тс,

где (0 (t) - изменяющаяся во времени

фазовая функция (фиг.4) f-c - средняя частота сигнала L (Фиг.З);

«,;V

ч чг- Г cs

fcp+ -д- - символьные частоты.

Фазовая функция(Л(t) может быть представлена выражением

(f(t) - tfhjZb gtf-KOdf,

-оо k

где b. - последовательность информа

1

ционных символов

гь информа

-1. + $:

- индекс девиации частоты,

Функция g(t) представляет собой импульс, определяемый на временном

261828

интервале 0, Сц как

4 , t e о, Ј„,

g(t)

1

fc

Ln

О,

оА.

0

5

5

5

0

5

0

5

Таким образом, ЧМн-2-сигнал обладает следующими свойствами.

Девиация частоты определяется веЛИЧИНОЙ Afj- hg(t) 1. .

Частота сигнала, соответствующая

+1 символу, равна f, f , -л .

с 4 Cu

Частота сигнала, соответствующая

1 символу, рэвнс f fc - л

Ч С 1д

Фазовая функция Lf(t) на каждом символьном интервале изменяется во времени линейно. За время одного символьного интервала набег фазы равен i. -. На интервале - оо «с t L у фазовая функция Cf(t) является непрерывной кусочно-линейной функцией, а огибающая сигнала постоянна. Спектр ЧМн-2-сигнала в отличие от частотно- манипулированных сигналов с индексом девиации частоты h 1 является

сплошным и имеет форму (-™-) . 99%

А

энергии сигнала сосредоточено в центральном лепестке его спектра. Скорость спадания боковых лепестков равна 1/f , т.е. значительно выше, чем у ФМн-сигналов.

Если на вход анализатора поступает ЧМн-2-сигнал, то на выходе полосового фильтра 11.1 образуется часто тно-манипулированный сигнал с индексом девиации частоты . При этом его спектр трансформируется в спектральные составляющие на частотах 2f. и 2fg. На выходе полосового фильтра 11.2 образуются две спектральные составляющие на частотах 4f. и 4f, а на выходе полосового фильтра 11.3 - две спектральные составляющие на частотах 8fj и 8f« (фиг.2г)«

Корреляционно кодированные сигна лы могут быть представлены выражением

Uc(t)Vccos 2 fcpt+2 ufd j m(D)df|,

-оо i где m(t) - передаваемое сообщение,

которое может быть пред ставлено выражением m(t)B

d PCt-K), где P(t) прямоугольный импульс единичного веса и длительности Q ;

d ц, - корреляционно кодированная последовательность битов данных а {(), 1. В дуобинарном случае (ЧМн-3) коирующий полином равен

F(D) таким образом d fc «JLlJibu

Из соотношении

Отсюда следует, что приращение ф-ээы ФМн- 5-сигнала на К-м снм}юлыюм интервале может быть записано в пиде

(KVv л-

it a -i+xaK + a«4-( ,

2

г.

При этом фаза в конце символьных интервалов может иметь значения О,

t fr 1т - 9 оотпетствеино указанный

сигнал имеет плть мгновенных частот:

15

ср Чг Јср± и1ер4

f

4

-v-4s-f.

Гt 5Г

Изобретение относится к радио- измерительной технике и предназначено для визуального анализа спектра исследуемых сигналов и определения вида их модуляции. Цель изобретения - повьшение достоверности визуального определения вида модуляции принимаемого сигнала - достигается введением ячеек Брэгга 3., линз 4.1-4.3, матриц фотодетекторов 5.1-5.3, блоков 6.1-6.3 визуальной индикации спектра, перемножителей 10.1-10.3, полосовых фильтров 11.1- 11.3. Анализатор также содержит лазер 1, коллиматор 2, ячейку Брэгга 3.4, матрицу фотодетекторов 5.4, блок 6.4 визуальной индикации спектра, приемную антенну 7 преобразователь 8 частоты, усилитель 9 промежуточной частоты. 4 ил. % k/

следует, что, если ak a.,, то зовая функция изменяется линейно

1Г

величину в конце символьного тервала. Если a jj, tЈ fl.t то фазоьая функция в отличие от ЧМн-2-сигнала остается постоянной.

Из приведешгых выражений следует, что ЧМн-А-сигнал в соответствии со

ъ

1Г

значениями фазы (0, +-,--) имеет

три мгновенные частоты:

+ /Нл

гГ

fcf+ Јц; fa fcp

f(fcp + bfj

- ЈС И/

Если на вход анализатора noctyna- ет ЧМн-3-сигнал, то на выходе полосовых фильтров 11.2 и 11.3 образуются три спектральные составляющие на

частотах 4f, , 4ft

Af и 8f4,

Bf

I ч « Uii U4p 8f, т.е. сплошной спектр трансформируется в три спектральные составяющие (фиг.2д).

На выходе перемножителя 10.1 спектр ЧМн-3 трансформируется в другой сплошной спектр, поскольку h « 1. Таким образом, на экранах индикатоов 6.1 и 6.2 визуально наблюдаются сплошные спектры.

В случае частотной манипуляции со скруглением (ЧМн-5) корреляционный кодирующий полином равен

F(D) . 0.151, т.е;

, at. + 2а +

.

20

25

30

35

40

45

50

55

Если на вход анализатора поступает ЧМн-5-сигнал, то на выходе перемножителя 10.3 его сплошной спектр трансформируется в пять спектральных лепестков с пиковыми значениями на частотах 8f, , 8f 3,8fCp,8f4,8f2.lla выходах перемножителий 10 и 10.2 сплошной спектр ЧМн-5-сигнала трансформируется в сплошные спектры, так .как в этих случаях h 1. Таким образом, на экранах индикаторов 6.1 - 6.3 наблюдаются сплошные спектры, а на экране индикатора 6.4 - пять спектральных лепестков (фиг.2е).

Если на вход анализатора поступает, сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ)

Uc(t) Vccos(2fifct +lЈt Z- +lpe), О Ј t S Tc ,

где V-,fc,U ,Т - амплитуда,начальная частота,начальная фаза и длительность сигнала соответст- венно;

скорость изменения частоты внутри им пульса;

девиация частоты,

то преобразователем 8 частоты он переносится на промежуточную частоту

V0 v.| c°s rtfnpt +V4V

о t тс.

Напряжение Un. (t) выделяется усилите лем 9 промежуточной частоты и посту пает на ячейку;3.1 Брэгга на два входа перемножителя 10.1, на выходе которого образуется ЛЧМ-сигнал

Mi

Af

9

V

т

os(47fn() t

2fr|fA. 2Ц,

который выделяется полосовым фильт- ром 11.1 и поступает на ячейку 3 Брэгга. Так как длительность Тс ЛЧМ- сигнала на основной и удвоенной промежуточной частоте одинакова, то увеличение JO в 2 раза происходит за счет увеличения в 2 раза девиации частоты ufq. Из этого следует, что ширина спектра ЛЧМ-сигнала на удвоен ной промежуточной частоте в 2 пача больше его ширины на основной промежуточной частоте (if 2Д ic ) .

Аналогично на выходах перемножи- телеп 10.2 и 10.3 ширина спектра ЛЧМ увеличивается в 4 и 8 раз.

Следовательно, на экране индикатора 6.1 зизуальчо наблюдается спектр (ОлJ , а на экранах индикаторов 6 ,,2-5.4 - спектры сигналов ширина которых в 2, 4 и 8 раз больше ширины спектра исходного сигнала (фиг.2ж). Это обстоятельство является признаком распознавания ЛЧМ-сиг- н -аа.

Там:м образом, предлагаемый анализатор обеспечивает не только анализ спектра принимаемого , in и позволяет лово сить достоверность визуального определения вида модуляции принимаемого сигнала. Это достгается использованием в качестве информативных признаков глирины спектра и изучений в его структуре при умно жонии фазы принимаемого сигнала на два, четыре и восемь.

Формула изобретения

Акустооптический анаоизатор спектра, содержащий последовательно оптически соединенные лазер, коллиматор, ячейку Брэгга, в продифрагированном

15

20

луче которой последовательно установлены линза и матрица фотодетекторов в ее фокальной плоскости, электрическим выходом подключенная к блоку визуальной индикации спектра, а также приемную антенну, соединенную через последовательно включенные преобразователь частоты и усилитель проIQ межуточной частоты с электрическим вчодом ячейки Брэгга, о т л л ч : и и и с я тем, что, с це.п.ю повышения достоверности ..и ального с%лреде- ления вида модуляции лри-- ,.маемого сигнала, с ьведе: ы дополнительно три ячейки Брэгга, три линзы, три мтгрицы фотодетектсров и три блока ьйзуальной индикации спектра, а также три перемножигеля и три полосовых фильтра, при этом дополнительные ичейги Брэгга расположены последовательно по ходу непродифротировавшего в первой ячейке Брэгга луча, по ходу продифрагировавшего в каждой из

25 дополнительных ячеек Брэгга луча установлены последовательно одна из дополнительных линз и расположенная в ее фокальном плоскости одна из дополнительных матриц фотодетекторов,

30 электрическим выходом подключенная к одному из дополнительных блоков визуальной индикации спектра, к выходу усилителя промежуточной частоты подключены входы первого гтеремножителя,

35 вь.;ход которого через первый полосовой фильтр соединен с двумя входами второго перемножителя, а выход последнего в свою очередь подключен через второй полосовой фильтр к двум вхо40 дам третьего перемножителя, выходом соединенного с входом третьего полосового фильтра, причем к выходу каждого полосового фильтра подключен электрический вход соответствующей

45 дополнительной ячейки Брэгга.

а ФМн-2

ЬфМн-Ъ

6ФМн-8

г w«-2

ЪчМн-3

ечМн-5

т ЛЧМ

Х2

х4х#

Фиг. 2

Мн 1

Мн З

ЧМн-5

ft

-2JT.

Фиг. 4