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

vj

CJ

чэ

со

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для визуального и автоматического анализа спектра сложных сигналов и определения вида их модуляции. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем автоматического измерения и регистрации 7 амплитуды и фазы спектральных составляющих принимаемого сложного сигнала. Анализатор спектра содержит лазер 1, коллиматор 2, ячейки Брэгга 3.1-3.4, линзы 4.1-4.4, матрицы 5.1-5.4 фотодетекторов, блоки 6.1-6.4 индикации, антенну 7, преобразователь 8 частоты, усилитель 9 промежуточной частоты, перемножители 10.1, 10.2, 10.3, полосовые фильтры 11.1, 11.2, 11.3. Для достижения цели в него введены ячейки Брэгга 3.5, 3.6, линзы 4.5, 4,6, 4.7, матрица 5.5 фотодетекторов, генератор 12 сигнала с линейной частотной модуляцией, дифракционная решетка 13, амплитудный детектор 14, цифровой фазометр 15, амплитудный аналого-цифровой преобразователь 16, опорный генератор 17, блок 18 регистрации и диафрагма 19. 4 ил. сл С

го

Изобретение относится к радиоизмерительной технике, предназначено для визуального и автоматического анализа спектра сложных сигналов и определения вида их модуляции и является усовершенствованием изобретения по авт.св. № 1626182.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем автоматического измерения и регистрации амплитуды и фазы спектральных составляющих принимаемого сложного сигнала.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого анализатора; на фиг,2 - схема взаимного расположения символьных частот сигналов с многократной частот- ной манипуляцией; на фиг.З - закон изменения фазы частотно-манипулирован- ного сигнала; на фиг.4 - возможный вид осциллограмм на экранах блоков индикации.

Акустооптический анализатор спектра содержит лазер 1, коллиматор 2, первую- шестую ячейки 3.1-3,6 Брэгга, первую- седьмую линзы 4.1-4.7, первую-пятую матрицы 5.1-5.5 фотодетекторов, первый- четвертый блоки 6.1-6.4 индикации, приемную антенну 7, преобразователь 8 частоты, усилитель 9 промежуточной частоты, пер- вый-третий перемножители 10.1-10.3, пер- вый-третий полосовые фильтры 11.1-11.3, генератор 12 ЛЧМ-сигнала, дифракционную решетку 13, амплитудный детектор 14, цифровой фазометр 15, амплитудный аналого-цифровой преобразователь 16, опорный генератор 17 и блок 18 регистрации, диафрагмы 19. К выходу приемной антенны 7 последовательно подключены преобразователь 8 частоты, усилитель 9 промежуточной частоты, первый перемножитель 10.1, первый полосовой фильтр 11.1, второй перемножитель 10.2, второй полосовой фильтр 11.2, третий перемножитель 10.3 и третий полосовой фильтр 11.3. На пути распространения пучка света лазера 1 последовательно установлены коллиматор 2, ячейки 3.1-3.4 Брэгга, линза 4,5 и ячейка 3.5 Брэгга. Пьезоэлектрические преобразователи ячеек 3.1-3.5 Брэгга соединены с выходами усилителя 9 промежуточной частоты полосовых фильтров 11.1-11.3 и генератора 12 ЛЧМ-сигнала соответственно. На пути распространения дифрагируемой части пучка света ячейки 3.1 (3.2, 3.3, 3.4) установлена линза 4.1 (4.2, 4.3, 4.4), в фокальной плоскости которой размещена матрица 5.1 (5.2,5.3, 5.4) фотодетекторов, к выходу которой подключен блок 6.1 (6.2, 6.3, 6.4) индикации. На пути распространения дифрагируемой части пучка света последовательно установлены линза 4.6, дифракционная решетка 13 и

ячейка 3.6 Брэгга, пьезоэлектрический преобразователь которой соединен с выходом усилителя 9 промежуточной частоты. На пути распространения дифрагируемой части

пучка света ячейки 3,6 Брэгга установлена линза 4.7, в фокальной плоскости которой последовательно установлены диафрагма 19 и матрица 5.5 фотодетекторов, к выходу которой последовательно подключены амплитудный детектор 14, амплитудный аналого-цифровой преобразователь 16 и блок 18 регистрации, второй вход которого через цифровой фазометр 15 соединен с выходами матрицы 5.5 фотодетекторов и опорного

генератора 17.

Акустооптический анализатор спектра работает следующим образом.

Сложный сигнал, принятый антенной 7, поступает на вход преобразователя 8 частоты, состоящего из смесителя и гетеродина. Преобразованный по частоте сигнал выделяется усилителем 9 промежуточной частоты и поступает на ячейку 3 Брэгга, где происходит преобразование сигнала в акустическое колебание. Пучок света от лазера 1, сколлимированный коллиматором 2, проходит через ячейки 3.1 - 3.5 Брэгга и дифрагирует на акустических колебаниях, возбужденных ЛЧМ-сигналом и принимаемым сложным сигналом. На пути распространения дифрагируемой части пучка света устанавливаются линза 4,6, дифракционная решетка 13, ячейка 3,6 Брэгга и линзы 4.1- 4.7. В фокальных плоскостях указанных

линз, формирующих пространственный спектр принимаемого сигнала, установленные матрицы 5.1-5.5 фотодетекторов, Каждому разрешаемому элементу анализируемого частотного диапазона соответствует свой фотодетектор. Ячейки 3.1- 3.5 Брэгга состоят из звукопровода и возбуждающей гиперзвук пьезоэлектрической пластины, выполненной из кристалла ниобата лития соответственно ХиУ-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 ос.,иллографические индикаторы.

Если на вход анализатора спектра поступает сложный сигнал с бинарной фазовой манипуляцией (ФМн-2)

Uc(t) Uc pk(l) + ,0 t Тс,

где Uc, fc, Тс, рс амплитуда, несущая частота, длительность и начальная фаза сигнала;

(t) 0,тг - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции, причем рь (t) const при К ти t (К+1) ги и может изменяться скачком при t К ти , т.е.н а границах между элемен- тарными посылками К 1,2,...,N-1;

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

Тс М-ти

то он с выхода антенны 7 поступает на вход преобразователя 8 частоты, на выходе которого образуется напряжение

иПр(1) ипргС08 27Г1прг+ fb (t)+ pnp ,

О t Тс,

где Unp | KUcllr;

К- коэффициент передачи смесителя;

fnp fc - fr - промежуточная частота; промежуточная начальная фаза;

Ur, fr, рг -амплитуда, частота и начальная фаза напряжения гетеродина.

Это выражение выделяется усилителем 9 промежуточной частоты и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки 3.1 Брэгга и на два входа перемножителя

Ui(t) Ui-cos(47rfnp + 2pnp ), 0 t Тс.

где 1)1 KiUnp2

Ki - коэффициент передачи перемножителя.

Так как (т.) 0,2 л , то в указанном напряжении фазовая манипуляция уже от- сутствует. Напряжение Ui(t) выделяется полосовым фильтром 11.1 и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки 3.2 Брэгга и на два входа перемножителя 10.2, на выходе которого образуется гармо- ническое напряжение

U2(t) 1)2-COS (8 7Г fnpt + ), 0 t Тс,

где112 |KiUi2

Это напряжение выделяется полосовым фильтром 11.2 и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки 3.3 Брэгга и на два входа перемножителя 10.3, на выхо- де которого образуется гармоническое напряжение

Ua(t) Ua-cos (1 бя fnpt + 8 рпр ), 0 t ТС,

где Us:

KiU22.

5

10

5

,.

0

0

5

0 с

Это напряжение выделяется полосовым фильтром 11.3 и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки 3.4 Брэгга. Ширина спектра ФМн-2 сигнала Afc определяется длительностью ти элементарных посылок ( Дтс ), тогда как ширина Ти

спектра второй Af2, четвертой Л f4 и восьмой Afe гармоник определяется длительностью

л

Тс сигнала (Af2 Af4 Af8 ) СледоваI с

тельно, при умножении фазы на два, четыре и восемь спектр ФМн-2 сигнала сворачивается вNраз( Afc Afc Afc мч (ЗтГ 5W N ) и трансформируется в одиночные спектральные составля- ющие. Это обстоятельство является признаком распознавания ФМн-2-сигнала. Спектры принимаемого ФМн-2 сигнала и его гармоник визуально наблюдаются на экранах индикаторов 6.1-6.4 соответственно (фиг.4а).

На пути распространения пучка света лазера 1 установлены линза 4.5 и ячейка 3.5 Брэгга, на пьезоэлектрический преобразователь которой подается сигнал с линейной частотой модуляцией ЛЧМ с выхода генератора 12:

U/i(t) ил cos (2jr-fnt + луп t2 + ул ), О t ТЛ

где ил, fn, Т/1, рп - амплитуда, начальная частота, длительность и начальная фаза напряжения генератора; Дтл

скорость изменения часто

ты ЛЧМ-сигнала;

Дгл - девиация частоты.

Генератор 12 ЛЧМ-сигнала запускается с приходом сложного сигнала напряжением с выхода усилителя 9 промежуточной частоты.

На пути распространения дифрагируемой части пучка света ячейки 3.5 Брэгга устанавливаются линза 4.5, дифракционная решетка 13, ячейки 3.6 Брэгга и линза 4.7. При этом линза 4.6 формирует параллельный пучок света, который дифрагирует на дифракционной синусоидальной решетке 13. Далее пучок света проходит через ячейку 3.6 Брэгга, на пьезоэлектрический преобразователь которой подается напряжение Unp(t) с выхода усилителя 9 промежуточной частоты. Линза 4.7 осуществляется пространственное интегрирование напряжения Unp(t) и ЛЧМ-сигнала.

Диаметр dn сфокусированного линзой 4.5 пучка выбирается из условия

dn

V3

мин

где v3e - скорость звука в ячейке 3.5 Брэгга;

Тмин - минимальная частота ЛЧМ-сигна- ла.

Это условие необходимо обеспечить для того, чтобы свет в ячейке 3.6 Брэгга дифрагировал в каждый момент выборки только на одной частотной составляющей. Пропускание дифракционной решетки 13 можно представить в виде

tp 1 + cos 2#x/d, где d - шаг решетки;

х - координата в плоскости решетки. Умножив амплитуду дифрагированного в ячейке 3.5 Брэгга света на коэффициент пропускания решетки и ограничиваясь рассмотрением только первого порядка дифрагированного в ячейке света, можно получить следующее выражение для амплитуды спектра ЛЧМ-сигнала в плоскости диафрагмы 19:

fi/2уу

Р(ил) Г (1 + cos 2л% ) и„ (t тр- )

(1/2°V3B

exp()dx, sin С( 2Jn -2лг)

V3BV3B

-у ехр (27rfit + л)/л12 + рп }

где fi - апертура ячейки 3.5 Брэгга;

г - пространственная частота в плоскости диафрагмы 19.

Амплитуда спектра широкополосного радиоимпульса может быть представлена в

виде9

К+ЈЕ.

« 2

4 Un.)S | sH2 (t-JLW(+

1 i i J. L rl- vi&

J -

2Г

ехр2 4уге х1-25; еЧ() .),

где Рс - пространственная апертура радиоимпульса;

1 v3B

At -гдлина волны ультразвука

для 1-й частотной составляющей;

п - количество частотных составляющих.

В плоскости диафрагмы 19, которая выделяет только плюс первые порядки дифра- гированных пучков, пучки будут интерферировать. Тогда с учетом приведенных выражений, ограничиваясь рассмотрением только интерференционного члена, получим следующее выражение для полезной мощности излучения

Р / I F(Ufl) + F(Unp) I2 d К2 У Ui sin с

i 1

П Ic ( У2ЗВр -4- ) COS l7t f|t + П fi + Л улт) t + (fbp - рп

где Ui - амплитуда i-й частотной составляющей;

Ка-коэффициент пропорциональности. Из этого выражения видно, что воспроизводится огибающая спектра сигнала на определенной частоте с учетом фазы каждой частотной составляющей. Выделяя с помощью амплитудного детектора 14 низкочастотную огибающую из полезной мощности, образующейся на выходе матрицы 5.5, и преобразовывая ее с помощью амплитудного аналого-цифрового преобразователя 16 в

код, можно измерить и зафиксировать амплитуду i-й частотной составляющей сложного сигнала.

Для измерения фазы каждой частотной составляющей девиация частотыА тл ЛЧМгенератора 12 выбирается равной ширине спектра Дгс принимаемого сигнала ( Атл - Afc). Тогда в каждый момент выборки частота спектральной составляющей сигнала соответствует частоте ЛЧМ-сигнала, т.е.

f|-(2jrffl+ nyni) 0.

Дл я определения фазы сигнала необходимо ввести несущую частоту, Выберем fi - (2 л тл + яуп t) A f. Это можно обеспечить, если

сдвинуть начальную частоту ЛЧМ-сигнала тл относительно промежуточной частоты fnp радиоимпульса. Для того, чтобы при этом условии совместить дифрагированные пучки по пространству, введена дифракционаня решетка 13. Параметры решетки можно выбирать из условия

SinCJTPc( IJ-jj- )SinC7rfl(7 --1)

Отсюда получим

d Узв/А f.

Тогда с учетом изложенного выражение для полезной мощности можно преобразовать к виду

Р К2|; UislnCrtM- - 4- )

| - 1Ч

cos (2 л A ft + р. (t) + рпр| ).

Для измерения фазы i-й частотной составляющей рпр на цифровой фазометр 15 подаются сигнал опорной частоты от опорного генератора 17 и полезная мощность с выхода матрицы 5.5. Цифровой фазометр 15 обеспечивает измерение фазы 1-й частотной составляющей за период частоты Af. Измеренные амплитуда и фаза каждой спектральной составляющей фиксируются блоком 18 регистрации.

Если на вход анализатора спектра лостутг 3 лает ФМн-4 сигнал уэк (t ) 0, - , л, п ,

то на выходе полосового фильтра 11.1 образуетсяФМн-2сигналк(г)0,7Г,27Г,Зл: , а на выходе полосовых фильтров 11.2 и 11.3 образуются соответствующие гармонические напряжения U2(t) и 11з(т). В этом случае на экранах индикаторов 6.1 и 6.2 наблюдаются спектры ФМн-4 ФМн-2 сигналов, а на экранах индикаторов 6.3 и 6.4 - одиночные спектральные составляющие (фиг.4б).

Если на вход анализатора поступает ФМн-8 сигнал

«fc(t) 0,f,f,fjr,«.|w,

то на выходах полосовых фильтров 11.2 и 11.3 образуются ФМн-4 и ФМн-2 сигналы, а на выходе полосового фильтра 11.4 - гармоническое напряжение 11з(т). В этом случае на экранах индикаторов 6.1-6.3 наблюдаются спектры ФМн-8, ФМн-4 и ФМе-2 сигналов, а на экране индикатора 6.4 - одиночная спектральная составляющая (фиг.4в).

Если на вход анализатора поступает ФМн-2 сигнал

Uc(t) Uccos 2jrfcpt+ р (t)+ рс), 0 t ТС,

где p(t) - изменяющаяся во времени фазовая функция (фиг.З);

, f 1 + fc

fcp 2средняя частота сигнала

(фиг.2);

1 ,f2 fcp+ 1

f 1 fcp f2 fcP + Тт символь ные частоты,

то на выходе полосового фильтра 11.1 образуется частотно-манипулированный сигнал с индексом девиа ции 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 - две спектральные составляющие на частотах 8fi и 8f2 (фиг.4г).

Если на вход анализатора поступает ЧМн-3 сигнал, 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.4д). На выходе перемножителя 10.1 спектр ЧМн-3 сиг-нала трансформируется в другой сплошной

спектр, поскольку h 1. Таким образом, на экранах индикаторов 6.1 и 6.2 визуально наблюдаются сплошные спектры.

Если на вход анализатора поступает ЧМн-5 сигнал, то на выходе перемножителя

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

,

Uc(t)-Uccos(27rfct+ щ т.2+ ), 0 t ТС

Afn

L In

где у т - скорость изменения частоты

внутри импульса;

fg - девиация частоты,

то преобразователем 8 частоты он переносится на промежуточную частоту

Unp(t) UnP Cos (2л: fnpt + + рпр ). О t Т

с.

Напряжение Unp(t) выделяется усилителем 9 промежуточной частоты и поступает на ячейку Брэгга 3.4 и на два входа перемножителя 10.1, на выходе которого образуется

ЛЧМ-сигнал

Ui(t) Ui Cos (4 TTfnpt + 2 щt2 + 2 pnp ), 0 t Tc

который выделяется полосовым фильтром 11,1 и поступает на ячейку Брэгга 3.1. Так как длительность Тс ЛЧМ-сигнала на основной и удвоенной промежуточной частоте одинакова, то увеличение у в два раза происходит за счет увеличения в два раза девиации частоты A fg. Из этого следует, что ширина спектра ЛЧМ-сигнала на удвоенной промежуточной частоте Af2 в два раза больше его ширины на основной промежуточной частоте (Afa 2 Afc).

Аналогично на выходах перемножителей 10.2 и 10.3 ширина спектра ЛЧМ-сигна- ла увеличивается в 4 и 8 раз.

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

Формула изобретения Акустооптический анализатор спектра по авт.св. Nb 1626182, о т л ичающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем автоматического измерения и регистрации амплитуды и фазы спектральных составляющих принимаемого сложного сигнала, в него введены генератор сигнала с линейной частотной модуляцией, опорный генератор, дифракционная решетка, диафрагма, пятая и шестая ячейки Брэгга, пятая, шестая и седьмая линзы, амплитудный детектор, амплитудный анак®

ft

лого-цифровой преобразователь, цифровой фазометр и блок регистрации, причем на пути распространения пучка света последовательно установлены пятая линза и пятая

ячейка Брэгга, электрический вход которого через генератор сигнала с линейной частотной модуляцией соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, на пути распространения дифрагируемой пятой

ячейкой Брэгга части пучка света последовательно установлены шестая линза, дифракционная решетка и шестая ячейка Брэгга, пьезоэлектрический преобразователь которой соединен с выходом усилителя

промежуточной частоты, на пути распространения дифрагируемой шестой ячейкой Брэгга части пучка света установлена седьмая линза, в фокальной плоскости которой последовательно установлены диафрагма и

пятая матрица фотодетекторов, к выходу которой последовательно подключены амплитудный детектор, амплитудный аналого- цифровой преобразователь и блок регистрации, второй вход которого через

цифровой фазометр соединен с выходом пятой матрицы фотодетекторов и опорного генератора.

fl

Фиг. 2

W

Фиг.З

а

4

а

t ffn-2

W

9%-«

С7 О W

WK-Z

ш-з

С

ЧНн 5