Акустооптический анализатор спектра Советский патент 1992 года по МПК G01R23/17 

СО

с

Изобретение относится к радиоизмерительной технике. Цель изобретения - повышение помехоустойчивости и избирательности. Анализатор содержит лазер 1, коллиматор 2, ячейки Брегга 3, линзы 4. матрицы фотодетекторов 5, блоки 6 визуальной индикации, приемную антенну 7, смеситель 8, гетеродин 21, усилитель 9 промежуточной

VJ

ю

ел

СА)

4

частоты, перемножители 10, и полосовые фильтры 11. Для достижения цели в него введены усилитель 12 промежуточной частоты, фазовращатель 13 на 90°, сумматор

Изобретение относится-к радиоизмерительной технике и может использоваться для визуального анализа спектра исследуемых сигналов и определения вида их модуляции.

Известны акустооптические анализаторы спектра.

Наиболее близким к предлагаемому является акустический анализатор спектра, который обеспечивает детальный анализ спектра и визуальное определение вида модуляции принимаемого сигнала. Это достигается использованием в качестве информативных признаков ширины спектра и изменений в его структуре при умножении фазы принимаемого сигнала на два, четыре и восемь.

Недостатками указанного анализатора спектра являются низкая помехоустойчивость и избирательность. Это объясняется тем, что одно и тоже значение промежуточной частоты может быть получено в результате приема сигналов на двух частотах fc и. fs, т.е.

fnp f с - f з И fnp fг - fa.

Следовательно, если частоту настройки fc принять за основной канал приема, то наряду с ним будет иметь место зеркальный канал приема, частота fs которого отличается от частоты fc на 2fnp и расположена симметрично (зеркально) относительно частоты гетеродина fr (фиг. 5). Преобразование по зеркальному каналу приема происходит с тем же коэффициентом преобразования кпр, что и по основному каналу, Поэтому он наиболее существенно влияет на избирательность и помехоустойчивость анализатора спектра.

Кроме зеркального, существуют и другие дополнительные (комбинационные) каналы приема, частоту которых можно определить из следующего равенства:

гп г , 1 ,

+ -fnp,

где m, n - целые числа.

Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующиеся при взаимодействии несущей частоты принимаемого сигнала с второй гармоникой частоты гетеродина,- так как чувствительность этих каналов близка к чувст14, перемножитель 15, узкополосный фильтр 16, амплитудный детектор 17, ключ 18, фазовращатель 19 на 90° и смеситель 20. 5 ил.

вительности основного канала приема. Так, при m 2 и n 1 двум комбинационным кгналам соответствуют частоты fki 2fr - fnp и fk2 2fr + fnp.

Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам, приводит к снижению помехоустойчивости и избирательности анализатора спектра.

0 Целью изобретения является повышение помехоустойчивости и избирательности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены второй смеситель,

5 второй усилитель промежуточной частоты, два фазовращателя на 90°, сумматор, четвертый перемножитель, узкополосный фильтр, амплитудный детектор и ключ, при этом первые входы второго смесителя и чет0 вертого перемножителя подключены к приемной антенне, второй вход второго смесителя через первый фазовращатель на 90° соединен с вторым выходом гетеродина, а выход через последовательно соединен5 ные второй усилитель промежуточной частоты и второй фазовращатель на 90° - с вторым входом сумматора, первый вход которого подключен к выходу первого усилителя промежуточной частоты, а выход - к

0 второму входу четвертого перемножителя и первому входу ключа, выход которого соединен с входами первого перемножителя и пьезоэлектрическим преобразователем первой ячейки Брэгга, а второй вход через

5 последовательно соединенные узкополосный фильтр и амплитудный детектор - с выходом четвертого перемножителя,

На фиг. 1 дана структурная схема предлагаемого анализатора спектра; на фиг. 2 0 осциллограммы на экранах блоков индикации; на фиг. 3 - взаимное расположение символьных частот сигналов с многократной частотной манипуляцией; на фиг. 4 - закон изменения фазы частотно-манипули5 рованного сигнала; на фиг. 5 - частотная диаграмма, поясняющая принцип образования дополнительных (зеркального и комбинационных) каналов приема.

Акустооптический анализатор спектра

0 содержит последовательно оптически соединенные лазер 1, коллиматор 2 и ячейку

Брэгга 3, в продифрагированном луче которой последовательно установлены линза 4 и матрица фотодетекторов 5 в ее фокальной плоскости, электрическим выходом подключенная к блоку 6 визуальной индикации спектра. При этом по ходу непродифрагиро- ванного в первой ячейки Брэгга луча расположены ячейки Брэгга 3 (3.1-3.3), по ходу продифрагированного в каждой из ячеек Брэгга 3 (3.1-3.3) луча последовательно установлены линза 4 (4.1-4.3) и расположенная в ее фокальной плоскости матрица фотодетекторов 5 (5.1-5.3), электрическим выходом подключенная к блоку 6 (6.1-6.3) визуальной индикации спектра. К выходу приемной антенны 7 последовательно подключены смеситель 8, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 21, усилитель 9 промежуточной частоты, сумматор 14, ключ 18, перемножитель 10.1, полосовой фильтр 11.1, перемножитель 10.2, полосовой фильтр 11,2, перемножитель 10.3 и полосовой фильтр 11.3. К выходу приемной антенны 7 последовательно подключены смеситель 20. второй вход которого через фазовращатель 19 на 90° соединен с вторым входом гетеродина 21, усилитель 12 промежуточной частоты и фазовращатель 13 на 90°, выход которого соединен с вторым входом сумматора 14. К выходу приемной антенны 7 последовательно подключены перемножитель 15, второй вход которого соединен с выходом сумматора 14, узкопо- лосный фильтр 16 и амплитудный детектор 17. выход которого соединен с вторым входом, ключа 18. Выход полосового фильтра 11.1 (11.2, 11.3) соединен с пьезоэлектрическим преобразователем ячейки Брэгга 3.1 (3.2,3.3),

Акустооптический анализатор спектра работает следующим образом.

Принимаемый сигнал, например, с фазовой манипуляцией (ФМн)

Uc (т.) Uc cos 2 n fc t +

t9 (t) + (pel 0 « t Ј Tc. где Uc, fc. Тс, рс - амплитуда, несущая частота, длительность и начальная фаза;

(t) - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции, причем (рь (т) const, при k гп t (k -f-1) Th и может изменяться скачком при t k rn, т.е. на границах между элементарными посылками k 1, 2,.„, N-1, гдетп, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Тс (Тс N тп) с выхода приемной антенны 7 одновременно поступает на первые входы смесителей 8 и 20 и перемножи5

0

5

0

5

0

5

0

5

0

теля 15. На второй вход смесителя 8 подается напряжение гетеродина 21

Ur, (t) Ur cos (2 л fr t + fb), где Vr, fr, pr - амплитуда, частота и начальная фаза напряжения гетеродина.

На второй вход смесителя 20 с выхода фазовращателя 19 на 90° подается напряжение

Urz(t) Ur cos (2 л fr t + (pf + 90°).

На выходах смесителей 8 и 20 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 9 и 12 выделяются напряжения промежуточной (разностной) частоты Unp (t) Unp, cos 2jrfnptH-pk(t) +

Unpjt)- Unpt COS 27rfnpt+ k(t) + - 90°,

где Unp, 1 /2 ki Vc Vr, 0 Ј t« Tc;

ki - коэффициент передачи смесителей;,

fnp fc - fr - промежуточная частота;

рпр - (fie - промежуточная начальная фаза.

. Напряжение Unp2(t) с выхода усилителя 12 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 13 на 90°, на выходе которого образуется напряжение

UnPi(t) Unp( cos 2 я fnp t + pk (t) +

+ (рпр - 90° + 90° Unp, cos 2 n fnp t +

+ pk(t) + pnpl 0 1«TC.

Напряжения Unp,(t) и Unpa(t) поступают на два входа сумматора 14, на выходе которого .образуется напряжение

U U COS 2 П fnp + pk (t) + + fnp, ,.

rfleVS) 2 VnPr

Напряжение (t) с выхода сумматора 14 поступает нз второй вход перемножителя 15, на выходе которого образуется напряжение

Ui (t) Vi cos (2 n frt + ) +

+ Vr (2fc-fr)t +

+ . рг, ,

rfleUi l 2UcUt ;

k2 - коэффициент передачи перемножителя.

Частота настройки fn узкополосного фильтра 16 выбирается равной частоте fr гетеродина 21 (fH fr). Поэтому в полосу пропускания узкополосного фильтра 16 попадает гармоническое напряжение

U2 (т) Ui :соз(2л:frt+pr), . О t гс. которое после детектирования в амплитудном детекторе 17 поступает на управляющий вход ключа 18 и открывает его. Ключ 18 в исходном состоянии всегда закрыт. При этом напряжение с выхода сумматора 14 через открытый ключ 18 поступает на два входа перемножителя 10 и на ячейку Брэгга 3, где происходит преобразование сигнала в акустическое колебание.

Пучок света от лазера 1, сколлимиро- ванный коллиматором 2, проходит через ячейку Брэгга 3 (3.1-3.3) и дифрагирует на акустических колебаниях, возбужденных сигналом. При этом дифрагирует только примерно десятая часть пучка источника излучения. На пути распространения дифрагируемой части пучка света устанавливают линзы 4 (4.1-4.3). В фокальных плоскостях указанных линз, формирующих пространственный спектр принимаемого сигнала, установлены матрицы фотодетекторов 5 (5.1-5.3). Причем каждому разрешающему элементу анализируемого частотного диапазона соответствует свой фотодетектор.

Ячейка Брэгга 3 (3.1-3.3) состоит из зву- копровода 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 индикации (6.1-6.3)могут быть использованы осциллографические индикаторы.

Если на вход анализатора спектра поступает сложный сигнал с однократной ОФМн (p(i) 0, л; то после преобразования по частоте и суммирования через открытый ключ 18 он поступает на ячейку Брэгга 3 и на два входа перемножителя 10, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

U3(t) U3COS 4rtfnpt +

+ , , где U3 1 /2 к2 и.

Так как 2 pk (t) 0,2 я, то в указанном напряжении фазовая минипуляция уже отсутствует. Напряжение Us(t) выделяется полосовым фильтром 11 и поступает на ячейку Брэгга 3 и на два входа перемножителя 10, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

U4(t) U4COS(8jrfnpt +

+ ) Q& ЈТС, . где U4 1/2k2 uf; :

Это напряжение выделяется полосовым фильтром 11 и поступает, на ячейку Брэгга 3 и на два а хода перемножителя 10, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

Us (t) Us cos (16 n fnp t +

+ ), , где Us-1/2 k2 U4.

Это напряжение выделяется полосовым фильтром 1.1 и поступает на ячейку Брэгга 3. Ширина спектра A fc ФМн-2 сигнала определяется длительностью элементарных посылок (Лfc 1 /ti). Тогда как ширина спектра

второй A fc, четвертой A U и восьмой A fs гармоник определяется длительностью Тс сигнала (A f2 A f4 - A fe 1/Тс). Следовательно, при умножении фазы на два, четыре и восемь спектр ФМн-2 сигнала сворачивается 8 N раз (д дЈ А| N) и трансформируется в одиночные спектральные составляющие. Это обстоятельство и явля- ется признаком распознавания ФМн-2 сигнала. Спектры принимаемого ФМн-2 сигнала и его гармоник (фиг. 2) визуально наблюдаются на экранах индикаторов 6 (6,1,

ЕСЛИ на вход анализатора спектра поступает ФМн-4 сигнал, pk (t) 0, гг/2, ж, 3/2 я1,то на выходе полосового фильтра 11 образуется ФМн-2 сигнал pk (т) 0, я, 1 Л, 3 л, а на выходе полосовых фильтров 11.2 и 11,3

образуются соответствующие гармонические напряжения U4 (t) и Us (t). В этом случае на экране индикаторов 6 и 6.1 наблюдаются спектры ФМн-4 и ФМн-2 сигналов, а на экранах индикаторов 6.2 и 6.3 наблюдаются

одиночные спектральные составляющие (фиг. 26).

Если на вход устройства поступает ФМн-8 сигнал pk (t) 0. л/Ал 11, 3/4 л:, то на выходах полосовых фильтров 11.1 и 11.2

образуются ФМн-4 и ФМн-2 сигналы, а на выходе полосового фильтра 11.3 образуется гармоническое напряжение Us (t). В этом случае на экранах индикаторов 6, 6.1, 6.2 и

наблюдается одиночная спектральная составляющая (фиг. 2в).

Если на вход устройства поступает ЧМн-2 сигнал, то на выходе полосового

фильтра 11.3 образуется частотно-манипу- лированный сигнал с индексом девиации частоты h 1. При этом его спектр трансформируется в две спектральные составляющие на частотах 4 fc и 4 fr. А на выходе полосового фильтра 11.3 образуются две спектральные составляющие на частотах 8 fi и 8 fa (фиг. 2г).

Если на вход устройства поступает ЧМн-3 сигнал, то на выходах полосовых

фильтров 11.2 и 11.3 образуются три спектральные составляющие на частотах 4 fi, 4 fCp, 4 fc и 8ft, 8 fc, 8 f2, т.е. сплошной спектр трансформируется в три спектральные составляющие (фиг. 2д).

На выходе перемножителя 10.1 спектр ЧМн-3 трансформируется в другой сплошной спектр, поскольку h 1. Таким образом, на экранах индикаторов б и 6.1 визуально будут наблюдаться сплошные спектры.

Если на вход устройства поступает ЧМН-5 сигнал, то на выходе перемножителя 10.3 его сплошной спектр трансформируется в пять спектральных лепестков с пиковыми значениями на частотах 8 fi, 8 fs, 8 fcp, 8 fa и 8 fz. На выходах перемножителей 10.1 и 10.2 сплошной спектр ЧМнН-5 сигнала трансформируется в сплошные спектры, так как в этих случаях h 1, Таким образом, на экранах индикаторов 6, 6.1 и 6,2 будут наблюдаться сплошные спектры: а на экране индикатора 6.3 - пять спектральных лепестков (фиг. 2е),

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

Uc (t) - Uc COS (2 71 fc t + + + pc), ,

AfA где у - скорость изменения частоты

I с внутри импульса;

AТд - девиация частоты, то после преобразования по частоте и суммирования на выходе сумматора 14 образуется напряжение

Uf2(t) ятпр t + Jryt2 +

+ рпр, , .

которое поступает на ячейку Брэгга 3 и на два входа перемножителя 10.1, на выходе которого образуется ЛЧМ-сигнал

Ue (t) Ue cos (4 л: fnp t +

+ 2 л-ут.2 + 2рпр), , который выделяется полосовым фильтром 11.1 и поступает на ячейку Брэгга 3.1. Так как длительность Тс ЛЧМ-сигнала на основной и удвоенной промежуточной частотах одинакова, то увеличение в два раза происходит за счет увеличения в два раза девиации частоты Д Тд. Из этого следует, что ширина спектра ЛЧМ-сигнала на удвоенной промежуточной частоте в два раза больше его ширины на основной промежуточной частоте (A f2 2 Afc).

Аналогично на выходах перемножителей ширина спектра ЛЧМ-сигнала увеличивается в 4 и 8 раз. Следовательно, на экране индикатора 6 визуально наблюдается спектр ЛЧМ-сигнала, а на экранах индикаторов 6.1-6.3 наблюдаются спектры сигналов, ширина которых в 2, 4 и 8 раз больше ширины спектра исходного ЛЧМ-сигнала (фиг. 2ж). Это обстоятельство и является признаком распознавания ЛЧМ-сигнала.

Если ложный сигнал (помеха) принимается по зеркальному каналу на частоте оо, то усилителями 9 и 12 промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:

Unp4(t) Unp-jCOS 2 Я fnp t - pnp

Unp5(t) UnPlCOS 2 7Г fnp t ,+ 900, , rAeUnpa 1/2k2VnVr;

fnp. - f n + fr - промежуточная частота; 5узцр -( промежуточная начальная

фаза; .

Vn, fn, - амплитуда, частота и начальная фаза напряжения помехи.

Напряжения Unp4(t) и Unpe(t), поступаю- 0 щие на два входа сумматора 14, на его выходе компенсируются. Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по . зеркальному каналу на частоте fa, подавляется.

5 Если ложный сигнал (помеха) принимается по первому комбинационному каналу на частоте fki (фиг. 5), то усилителями 9 и 12. промежуточной частоты выделяются следующие напряжения: 0 Unp7(t) Unp.,cos 2jrfnp(t),:

Unpg(t) я fnp (t) - php, + 90°, где fnp 2 fr - fki - промежуточная частота. Напряжение Unps(t) с выхода усилителя 12 промежуточной частоты поступает на 5 вход фазовращателя 13 на 90°, на выходе которого образуется напряжение Unpe(t) UnPl cos (2 ж fnp t - pnp,+ + 90° + 90°) - UnpjCos (2 ж fnp t - ), 0« t sjrc.

0 Напряжения Unp7(t) и Unpg(t), поступающие на два входа сумматора 14, на его выходе компенсируются. Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому комбинационному каналу на часто- 5 те , подавляется.

Если ложный сигнал (помеха) принимается по второму комбинационному каналу на частоте o k2 т°Усилителями 9 и 12 проме- п жуточной частоты выделяются следующие напряжения:

Unp „(t) ипргсоз (2 л.fnp t + pnPi); UnpH (t) Unp2cos( + + np,-90°), ,

с где fnp fk2-. 2 fr - промежуточная частота.

Напряжение Unp,, (t) с выхода усилителя

12 промежуточной частоты поступает на

- вход фазовращателя 13 на 90°, на выходе

которого образуется напряжение 0Unpii.(t) (2 л fnp t + /Vip,

- 90й + 90°) ипргсо8 (2 я fnp t + + pnp), .

Напряжения Unp(t) и Unp v,(t) поступают на два входа сумматора 14, на выходе кото- 5 рого образуется напряжение

ILJt) иЈ Ј03 (2 Л fnp t + у)пр(), 0«t Гс , rfleUSi 2 UnP2.

Это напряжение поступает на второй вход перемножителя 15, на первый вход поступает принимаемый сигнал (помеха). На

выходе перемножителя 15 образуется напряжение

Ue (t) Ue cos (4 л fг t + fk) +

+ U6 cos 2 n(fk.- 2 fr) +

+ , O-St-src, rfleV6 1/2k2VnVSJ, которое не попадает в полосу пропускания узкополосного фильтра 16. Ключ 18 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму комбинационному каналу на частоте Одо, подавляется.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает повышение помехоустойчивости и избирательности. Это достигается подавлением ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным (зеркальному и комбинационному) каналам.

Формула изобретения

Акустооптический анализатор спектра, содержащий первый смеситель, одним входом подключенный к приемной антенне, другим - к выходу гетеродина, а выходом - к входу первого усилителя промежуточной частоты, три перемножителя, три полосовых фильтра, а также установленные последовательно вдоль одной оптической оси лазер, коллиматор и четыре ячейки Брэгга, каждая из которых по ходу продифрагировавшего в ней луча через соответствующую линзу оптически связана с соответствующей матрицей фотодетекторов, установленной в. фокальной плоскости этой линзы и выходом подключенной к соответствующему индикатору, при этом выход первого перемножителя через первый полосовой фильтр

подключен к выходам второго перемножителя и пьезоэлектрическому преобразователю второй ячейки Брэгга, выход второго перемножителя через второй полосовой

фильтр - к входам третьего перемножителя и пьезоэлектрическому преобразователю третьей ячейки Брэгга, а выход третьего перемножителя через третий полосовой фильтр - к пьезоэлектрическому преобразователю четвертой ячейки Брэгга, отличающийся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости и избирательности, в него введены второй смеситель, второй усилитель промежуточной частоты, два фазовращателя на 90°, сумматор, четвертый перемножитель, узкополосный фильтр, амплитудный детектор и ключ, при этом первые входы второго смесителя и четвертого перемножителя подключены к приемной антенне, второй вход второго смесителя через первый фазовращатель на 90° соединен с, вторым выходом гетеродина, а выход через последовательно соединенные второй усилитель промежуточной частоты и второй фаг

зовращатель на 90° - с вторым входом сумматора, первый вход которого подключен к выходу первого усилителя промежуточной частоты, а выход - к второму входу четвертого перемножителя и первому входу

ключа, выход которого соединен с входами первого перемножителя и пьезоэлектрическим преобразователем первой ячейки Брэгга, а второй вход через последовательно соединенные узкополосный фильтр и амплитудный детектор - с выходом четвертого перемножителя.а

/

в

V

VX

/

ж

-J7

А

tfffo-3

fe

Х2

Х4х8

s

V У

у

J

Јй

m

с

Ф-г

-L 2Г

А

У

/

/5Л

V.

ft & J

Фиг. 5

A #/ /

«