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

(Л

С

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для визуального анализа спектра сложных сигналов и определения вида их модуляции. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем визуального определения вида частотной модуляции принимаемого сложного сигнала. Анализатор спектра содержит лазер 1, коллиматор 2, ячейки Брэгга 3,1-3.4, линзы 4.1-4.4, матрицы фотодетекторов 5.1-5.4, блоки индикации 6.1- 6.4, антенну 7, преобразователь частоты 8. усилитель промежуточной частоты 9, перемножители 10.1-10.3 и полосовые фильтры 11.1-11.3. Для достижения цели в него введены ячейка Брэгга 3.5. линза 4.5, матрица фотодетекторов 5.5, блок индикации 6.5, а также выключатель 12. диафрагмы 13, 14 и оптический клин 15. 4 ил,

vj ю

Сл со

(Л

ю

Изобретение относится к радиоизмерительной технике, может использоваться для визуального анализа спектра исследуемых сложных сигналов и определения вида их модуляции и является усовершенствованием известного устройства по авт. св. № 1626182.

Известен акустооптический анализатор спектра, обеспечивающий визуальный анализ спектра и вида модуляции принимаемого сигнала.

При этом, если на вход устройства поступает сложный сигнал с частотной модуляцией, то его ширина спектра на выходах перемножителей увеличивается в 2, 4 и 8 раз соответственно. Визуально наблюдая спектр ЧМ-сигнала и его гармоник на экра нах осциллогрзфических индикаторов по указанному изменению ширины спектра, принимается решение о распознавании сложного ЧМ-сигнала. Среди указанных сигналов наибольшее распространение нашли сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), с симметричной линейной частотной модуляцией (СЛЧМ) и с квадратичной частотной модуляцией (КЧМ).

Однако известное устройство не обеспечивает возможности для определения вида частотной модуляции принимаемого сложного сигнала,

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем, визуального определения вида частотной модуляции принимаемого сложного сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены пятая ячейка Брэгга, пятые линза, матрица фотодетекторов и блок индикации, две диафрагмы и оптический клин, причем на пути распространения пучка света от.лазера установлена пятая ячейка Брэгга, пьезоэлектрический преобразователь, который через выключатель соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, на пути распространения дифрагмируемой части пучка света последовательно установлены первая диафрагма, пятая линза и вторая диафрагма, в фокаль- . ной плоскости пятой линзы размещены оптический клин и пятая матрица фотодетекторое, выход которой соединен с пятым блоком индикации.

На фиг. 1 дана структурная схема предлагаемого анализатора спектра; на фиг. 2 - осциллограммы на экранах блоков индикации; на фиг. 3 - взаимное расположение символьных частот сигналов с многократной частотной манипуляцией; на фиг. 4 - закон изменения фазы частотно-манипули- рованного сигнала.

Акустооптический анализатор спектра содержит лазер 1, на пути распространения пучка света которого установлены коллиматор 2 и пять ячеек Брэгга 3.1-3.5. На пути

распространения дифрагированного пучка света каждой ячейки Брэгга установлена соответствующая линза 4.1-4.5, в фокальной плоскости которой размещается соответствующая матрица фотодетекторов 5.1-5.5,

0 выход которой соединен с соответствующим блоком индикации б.1-6.5г К выходу приемной антенны 7 последовательно подключены преобразователь 8 частоты, усилитель 9 промежуточной частоты,

5 перемножитель 10.1, полосовый фильтр 11.1, перемножитель 10.2 и полосовый фильтр 11.3, Пьезоэлектрические преобразователи ячеек Брэгга 3.1-3.4 соединены соответственно с выходами усилителя 9

0 промежуточной частоты и полосовых фильтров 11.1-11.3. Пьезоэлектрический преоб-, разователь ячейки Брэгга 3.5 через . выключатель 12 соединен с выходом усили- . теля 9 промежуточной частоты. Между ячейг

5 кой Брэгга 3.5 и линзой 4.5 установлена диафрагма 13. Между линзой 4.5 и матрицей фотодетекторов 5,5 установлена диафрагма 14. В фокальной плоскости линзы 4,5, кроме матрицы фотодетекторов 5.5, установлен

0 оптический клин 15. Каждая ячейка Брэгга состоит из звукопровода и возбуждающей гиперзвук пьезоэлектрической пластины, выполненной из кристалла ниобата лития, соответственно X и Y - 35° среза, Это обес5 печивает автоматическую подстройку по углу Брэгга и работу ячейки в широком диапазоне частот, В качестве блоков индикации 6.1-6,5 могут быть использованы ос- циллографические индикаторы.

0 Акустооптический анализатор спектра работает следующим образом.

Сигнал, принятый антенной 7, поступает на вход преобразователя 8 частоты, состоящего из смесителя и гетеродина.

5 Преобразованный по частоте сигнал выделяется усилителем 9 промежуточной частоты и поступает на ячейку Брэгга 3.1, где происходит преобразование сигнала в акустическое колебание, Пучок света от лазера,

0 1, крллимированный коллиматором 2, проходит через ячейки Брэгга 3.1-3.5 и дифрагирует на акустических колебаниях, возбужденных сигналом. На пути распространения дифрагируемой) части пучка света

5 установлены линзы 4.1-4.5. В фокальных плоскостях указанных линз, формирующих пространственный спектр принимаемого сигнала, установлены матрицы фотодетекторов 5.1-5.5. Каждому разрешаемому элементу анализируемого частотного

диапазона соответствует свой фотодетектор. Выключатель 12 в исходном состоянии всегда находится в разомкнутом состоянии. . Если на вход анализатора спектра поступает сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн), то его можно аналитически записать следующим образом:

Uc(t) UcCOs 2ttfct +

+ #(t) + #:, , где Uc, fc.fc. Тс - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала;

pk (t) - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции, причем рь (t) const при k гп t (k + 1) Гц и может изменяться скачком при t k Th, т.е. на границах между элементарными посылками (k 1,2,..., N - 1);

rn, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Тс (Тс N Тп).

Если на одной несущей частоте дискретная информация передается от одного источника сообщения, то целесообразно использовать однократную (бинарную) фазовую манипуляцию ФМн-2, у (t) 0, я.

Для передачи сообщений от двух источников используется двухкратная фазовая

Tf1

манипуляция ФМн-4, (t) 0; - я; - я.

Причем от одного источника фаза мани- пулируется по закону 0, я, а от другого - по

. .- о

закону -я, ;гЯ. Для передачи сообщений от трех источников используется трехкратная фазовая манипуляция ФМн-8. (t) 0; -jr.

||я;я;|я;|я;|я.

В общем случае на одной несущей частоте одновременно можно передавать сообщения от п источников, используя для этого n-кратную фазовую манипуляцию. Однако целесообразными являются одна-, двух- и трехкратная фазовые манипуляции, которые нашли широкое применение на практике. Дальнейшее повышение кратности фазовой 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 (t) Unp я fnp t +

+ pk (t) + уэпр, ,

где Unp К Uc Ur, fb (t) 0, я;

К - коэффициент передачи смесителя;

промежуточная начальная фаза;

Ur, fr, рг амплитуда, частота и началь- 5 ная фаза напряжения гетеродина,

Это напряжение выделяется усилителем 9 промежуточной частоты и поступает на ячейку Брэгга 3.1 (на ее пьезоэлектрический преобразователь) и на два входа пе- 0 ремножителя 10.1, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

Ui (t) Ui cos (4 fnp t + 2 p), , rfleUi Ki UnP;

Ki - коэффициент передачи перемножи- 5 теля.

Так как 2 рь (t) - 0,2 я, то в указанном напряжении фазовая манипуляция уже отт сутствует. Напряжение (t) выделяется полосовым фильтром 11.1 и поступает на 0 ячейку Брэгга 3.2 и на два входа перемножителя 10.2, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

U2 (t) Uc cos (8 я fnp t +

+ 4ipnp), ,

Это напряжение выделяется полосовым фильтром 11.2 и поступает на ячейку Брэг- гера 3.3 и на два входа перемножителя 0 Ю.З, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

из (t) Ua cos (16 я fnp t +

+ ), , 5 где U3 Ki иг2.

Это напряжение выделяется полосовым фильтром 11.3 и поступает на ячейку Брэгга 3.4.

Ширина спектра ФМн-2 сигнала Д fc 0 определяется длительностью гп элементарных посылок (Ate 1/Гр). Тогда как ширина спектра второй Af2, четвертой Af4 и восьмой Af8 гармоник определяется длительностью Тс сигнала (Д h A f4 A fs 1 /Тс). Следова- тельно, при умножении фазы на два, четыре и восемь спектр ФМн-2 сигнала сворачивается в N раз

(А Г У А гД Т С Д f С«.ч

ДГс/Дт2 ж д|ГМ)

и трансформируется в одинаковые спектральные составляющие. Это обстоятельство и является признаком распознавания ФМн-2 сигнала. Спектры принимаемого ФМн-2 и его гармоник визуально наблюдаются на экранах индикаторов 6.1-6.4 соответственно (фиг. 2а).

Если на вход анализатора спектра поступает ФМн-4 сигнал

0

5

(1) 0;|;я;|я,

то на выходе полосового фильтра 11.1 образуется ФМн-2 сигнал

pk (т.) 0; ж, 2 УР, 3 л,

а на выходах полосовых фильтров 11.2 и 11.3 образуются соответствующие гармонические напряжения U2 (t) и Us (t).

В этом случае на экранах индикаторов 6.1 м 6.2 наблюдаются спектры ФМн-4 и ФМн-2 сигналов, а на экранах индикаторов

Если на вход устройства поступает ФМн-8 сигнал

с(г) 0;Л;|я:я |я;|я |,.

то на выходах полосовых фильтров 11.2 и 11.3 образуются ФМн-4 и ФМн-2 сигналы, а на выходе полосового фильтра 11.1 образуется гармоническое напряжение Us (t), в этом случае на экранах индикаторов 6.1-6.3 наблюдаются спектры ФМн-8, ФМн-4 и ФМн-2 сигналов,, а на экране индикатора

Среди сложных сигналов с частотной манипуляцией (ЧМн) широкое распространение получили сигналы с минимальной частотной манипуляцией (ЧМн-2), с дуобинарной манипуляцией (ЧМн-3) и со скругленной частотной манипуляцией (фиг.. 3).:

Если на вход устройства поступает ЧМн-2 сигнал (фиг. За)

Uc (t) Uc л fcp +

+ /(t) + pcj, ,

где fcp - -2 - средняя частота сигнала (фиг. 3);

fl fcp4rn

- символьные частоты

f2 f

ср

4Tn

Ґ(1)2яЬ i .2 bicq(r-tk)dr- фазовая функция (фиг. 4);

h 0,5 - индекс девиации частоты;

bk последовательность информационных символов {-1,+1};

{ 1/2тппри1 ; 0, TV,;

q(t)

® при , Гп,

то на выходе полосового фильтра 11.1 образуется частотно-манипулированный сигнал с индексом девиации частоты h 1. При этом его спектр трансформируется в две спектральные составляющие на частотах 2f i и 2f2. На выходе полосового фильтра 11,2 образуются две спектральные составляющие на частотах 4fi и 4f2, а на выходе полосового

фильтра 11.3 образуются две спектральные составляющие на частотах 8fi и 8fa (фиг. 2г). Если на вход устройства поступает ЧМн-3 сигнал (фиг. 36), то на выходе полосовых фильтров 11.2 и 11.3 образуются три

спектральные составляющие на частотах 4fi, 4fCp, 4f2. и 8fi, 8fCp, 8f2, 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 6.1 и 6.2 визуально будут наблюдаться сплошные спектры (фиг,2д).

Еслм на вход устройства поступает ЧМн-5 сигнал (фиг. Зв), то на выходе пере- множитеяя 10.3 его сплошной спектр перетрансформируется в пять спектральных лепестков с пиковыми значениями на частоTax8fi,8f3, 8fcp, 8f4, 8f2.

На выходах перемножителей 10.1 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 будут наблюдаться сплошные спектры, а на экране индикатора 6.4 - пять спектральных лепестков (фиг. 2е). Именно такая ситуация является признаком ЧМн-5 сигнала.

Если на вход устройства поступает сигнал с частотной модуляцией (ЧМ) Uc (t) Uc cos (2 л fc + лгу tj + + pt), . где Uc, fc, Tc, (pc - амплитуда, начальная

частота, длительность и начальная фаза сигнала;

Afg

у - -тр-2 - скорость изменения частоты с.

внутри импульса; Afg - девиация частоты;

J- 1,2,3

то преобразователем 8 частоты он переносится на промежуточную частоту

Unp (t) Unp cos (2 л fnp t + + тгу tj + 0np), 0 $ Tc.

Напряжение Unp(t) выделяется усилителем 9 промежуточной частоты и поступает на ячейку Брэгга 3.1 и на два &хода перемножителя 10.1, на выходе которого образу- ется ЧМ-сигнал

.Ui(t) Ui cos (4 л: fnpt-ь + 2#ytj + ), , который выделяется полосовым фильтром 11.1 и поступает на ячейку Брэгга 3.1. Так

как длительность Тс ЧМ-сигнала на основной и удвоенной промежуточной частоте одинакова, то увеличение у в 2 раза происходит за счет увеличения в 2 раза девиации частоты A fg. Из этого следует, что ширина спектра ЧМ-сигнала на удвоенной промежуточной частоте в 2 раза больше его ширины спектра на основной промежуточной частоте (A h 2 A fc). Аналогично на выходах перемножителей 10.2 и 10.3 ширина спектра ЧМ-сигнала увеличивается в 4 и 8 раз.

Следовательно, на экране индикатора 6.1 визуально наблюдается спектр ЧМ-сигнала, а на экранах индикаторов 6.2-6.4 наблюдаются спектры ЧМ-сигналов, ширина спектра которых в 2, 4 и 8 раз больше ширины спектра исходного сигнала (фиг. 2ж). Это обстоятельство и является признаком ЧМ- сигналов.

Для распознавания вида частотной модуляции оператором включается ключ 12, При этом напряжение Unp (t) с выхода усилителя 9 промежуточной частоты поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 3.5. На пути распространения дифрагированного пучка света последовательно установлены диафрагма 13, линзы 4.5 и 14, в фокальной плоскости линзы 4.5 размещены оптический клин 15 и матрица фотодетекторов 5.5. Оптический клин 15 представляет собой маску, имеющую вид прозрачного равнобедренного треугольника на непрозрачном фоне. Прозрачность оптического клина 15 изменяется по линейному закону вдоль оси ОХ, расположенной перпендикулярно дифрагированному пучку света. За счет диафрагм 13 и 14 размер апертуры выбран так, чтобы максимально локализовать в пространстве мгновенный спектр анализируемого сигнала.

Распределение интенсивности света в плоскости пространственных частот в области первого дифракционного максимума в одномерном случае описывается функцией вида

(Ki-%)

L(Ki

К2Х F

)f

(

где L - апертура;

2 л Ki -г- - волновое число акустической

волны;

Л- длина акустической волны;

Ка -т- волновое число световой волтг

ны;

А- длина световой волны; F - фокусное расстояние. Указанная функция имеет ярко выраженный максимум (что свидетельствует о локализации мгновенного спектра), положение которого однозначно связано с частотой акустического колебания F

X

max

K2V

СОпр,

где V- скорость распространения акустической волны в звукопроводе, т.е. по положению максимума интенсивности света в первом дифракционном порядке можно судить о частоте колебаний, возбуждающих модулятор. С помощью оптического клина 15 осуществляется преобразование координаты максимума светового распре-, деления в величину выходного тока фотоприемника 5.5. При анализе ЧМ-сигнала ток

фотоприемника, как функция времени, соответствует закону изменения частоты в анализируемом сигнале.

Если на вход устройства поступает сигнал с ЛЧМ 0 2)

Uc(t) Uccos(2ttfct + + Jfyi2 + pc}. , то преобразователем 8 частоты он переносится на промежуточную частоту

Unp (t) Unp COS (2 П fnp t +

+ Jtvi2 + flno), O. Tc.

Напряжение Unp(t) выделяется усилите- лем 9 промежуточной частоты и поступает на ячейку Брэгга 3.5, где происходит преобразование сигнала в акустическое колеба- ние. При этом ячейка Брэгга 3.5, диафрагмы 13 и 14, линза 4.5, оптический клин 15 и фотоприемник 5.5 образуют акустооптиче- ский демодулятор ЧМ-сигналрв. На экране индикатора 6.5 в этом случае образуется изображение, пропорциональное закону ЛЧМ (фиг. 2з).

Если на вход устройства поступает сигнал с СЛЧМ

Uc(t)UcCOS(2jrfct +

+лу Itl l + ),0-St-sTc,

то на экране индикатора 6.5 образуется изображение, пропорциональное закону СЛЧМ (фиг. 2и, к).

Если на вход устройства поступает сигнале КЧМ 0 3)

Uc(t) UcCOS (2 ЯТс t+ + 7tyt3 + pc}, 0 t Тс,

то на экране индикатора 6.5 образуется изображение, пропорциональное закону КЧМ (фиг. 2л).

Таким образом, предлагаемый анализатор спектра, по сравнению с прототипом, обеспечивает распознавание вида ЧМ принимаемого сигнала. Тем самым функциональные возможности акустооптического анализатора спектра расширены. Форм у.л а изобретения Акустооптический анализатор спектра по авт. св. № 1626182, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем визуального опре- деления вида частотной модуляции принимаемого сложного сигнала, в него введены пятые ячейка Брэгга, линза, матрица фотодетекторов и блок индикации, две диафрагмы и оптический клин, причем пятая ячейка Брэгга установлена на пути распространения пучка света от лазера, ее пьезоэлектрический преобразователь через выключатель соединен с выходом усилителя

промежуточной частоты, на пути распространения дифрагируемой ею части пучка света последовательно установлены первая диафрагма, пятая линза и вторая диафрагма, в фокальной плоскости пятой линзы размещены оптический клин и пятая матрица фотодетекторов, выход которой соединен с пятым блоком индикации.

$Мн - 2

Шн -4

ФМн - 8

ч;мн - г

ЧМн - 3

WH - б

т

лчмслчмслчм

2 vv

X2

x 4x 8

a.

д.

e.

к.

к

л.

а.

«-

Фиг. 4