Акустооптический анализатор спектра Советский патент 1992 года по МПК G01R23/16 

00 iO

О

1Сл)

IGO

i iro

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

Целью изобретения является расширение диапазона частот.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого анализатора спектра; на фиг.2 - структурная схема блока анализа; на фиг.З - частотная диаграмма, поясняющая принцип образования дополнительных (зеркального и комбинационных) каналов приема: на фиг.4 - взаимное расположение символьных частот сигналов с многократной частотной манипуляцией; на фиг.5 - закон изменения фазы частотно-манипулируемого сигнала.

.Акустооптический анализатор спектра (фиг.1) содержит приемную антенну 1, преобразователь 2 частоты, гетеродин 2.1, последовательно соединенные смеситель 2.2, усилитель 3 промежуточной частоты, сумматор 4, ключ 5, блок 6 анализа, последовательно соединенные фазовращатель 7 на 90. смеситель 8, усилитель 9 промежуточной частоты и фазовращатель 10 на 90°, последовательно соединенные фазовращатель 11 на 90°, сумматор 12 и ключ 13, последовательно соединенные перемножитель 14, узкополосный фильтр 15, амплитудный детектор 16, последовательно соединенные перемножитель 17. фильтр 18 и амплитудный детектор 19, последовательно соединенные фильтр 20, амплитудный детектор 21. ключ 22 и блок анализа 23, последовательно соединенные фильтр 24, амплитудный детектор 25, ключ 26 и блок 27 анализа, к выходу ключа 13 подключен блок 28 анализа. Блок анализа (фиг.2) состоит из лазера 29. коллиматора 30, первой, второй, третьей и четвертой ячеек Брэгга 31.1-31,4, первой, второй, третьей и четвертой линз 32.1 -32.4, первой, второй, третьей и четвертой матриц фотодетекторов 33,1 -33.4 и первого, второго, третьего и четвертого блоков 34.1-34.4 индикации.

Акустооптический анализатор спектра работает следующим образом.

Принимаемый сигнал, например, с бинарной фазовой манипуляцией с выхода приемной антенны 1 поступает на первые входы смесителей 2.2 и 8 и перемножителей 14 и 17. На второй вход смесителя 2.2 с первого выхода гетеродина 2.1 подается напряжение

Uri(t) игС05( t -Ьуэ,),

где Ur, fr, pr - амплитуда, частота и начал ная фаза напряжения гетеродина.

На вход смесителя 8 с второго выхода гетеродина 2.1 через фазовращатель 7 на 90° подается напряжение

Ur2(t) UrC03(2 ,7rfr t + r + 90°)

Ha выходах смесителей 2,2 и 8 образуются напряжения комбинационных частот. Усилители 3 и 9 выделяют напряжения Unp (t) и Unp(t) промежуточной (разностной) частоты fnp fc - fr.

Напряжение Unpjt) с выхода усилителя 9 промежуточной частоты поступает на входы фазовращателей 10 и 11 на +90° и -90°. на выходах которых образуются напряжения (Jnpp и ).

Эти напряжения поступают на два входа сумматора 12, на его выходе компенсируются. Напряжения Unp,(t) и Unp (t) поступают на два входа сумматора 4, на выходе которого образуется напряжение (t). Это напряжение подается на второй входперемножителя 14, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

Ui(t) Ui cos(2 л: fr-t -I- РГ}. О t Тс ,

1

-1

К2 - коэффициент передачи перемножителя;

Uc амплитуда принимаемого сигнала:

,.

Частота настройки fн, узкополосных фильтров 15 и 18 выбирается равной частоте

f г гетеродина 2,1 fH fr.

Частота настройки fur узкополосных фильтров 20 и 24 выбирается равной второй гармонике частоты гетеродина н 2fr. Поэтому в полосу пропускания узкополосного фильтра 15 попадает гармоническое напряжение Ui(t), которое после детектирования в амплитудном детекторе 16 поступает на управляющий вход ключа 5 и открывает его. Ключи 5, 13, 22. 26 в исходном состоянии всегда закрыты. При этом напряжение U (t) с выхода сумматора 4 через открытый ключ 5 поступает на вход блока 6 анализа, а затем (фиг.2) на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 31,1, где происходит преобразование сигнала в акустическое колебание, и на два входа перемножителя 35, На выходе последнего образуется гармоническое напряжение

U2(T) U2COS(4 n fnpt + 2л np). 0$ t$ Т с.

где U2 4 K2UJ I 1

Vnpl (pc -Vr

Так как 2 99k (t) 0,2 я, то в у казан ном напряжении фазовая манипуляция уже отсутствует. Напряжение U2(t) выделяется полосовым фильтром 36 и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 31.2 и на два входа перемножителя 37, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

UaW U3cos(8 я fnpt + 4 npi ), О t Тс, где U3 -2-K2U Это напряжение выделяется полосовым фильтром 38 и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга и на два входа перемножителя 39, на выходе которого образуется гармоническое напряжениеU4(T) U4cos(16jrfnpT + 8 у7пр1 ), о t Тс, где U4 -J К2 и§. Это напряжение выделяется полосовым фильтром 40 и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 31.4. Пучок света от лазера 29, сколлимированный коллиматором 30, проходит через ячейки Брэгга 31.1-31.4 и дифрагирует на акустических колебаниях, возбужденных сигналом и его гармониками. При этом следует отметить, что дифрагирует только примерно десятая часть пучка света источника излучения. На пути распространения дифрагируемой части пучка света устанавливаются линзы 32.1-32.4. В фокальных плоскостях указанных линз, ф.ормирующих пространственный спектр принимаемого сигнала, установлены матрицы фотодетекторов 33. 1-33.4, к выходам которых подключены блоки 34.1-34.4 индикации. Причем каждому разрешающему элементу анализируемого частотного диапазона соответствует свой фотодетектор. Каждая ячейка Брэгга состоит из звукопровода и возбуждаемый гиперзвук пьезоэлектрической пластины (пьезоэлектрический преобразователь), выполненной из кристалла ниобата лития соответственно X И Y-35°C среза. Это обеспечивает автоматическую подстройку

по углу Брэгга и работу ячейки в широком диапазоне частот. В качестве блоков индикации могут быть использованы осциллографические индикаторы.

Ширина спектра Л fc принимаемого сигнала определяется длительностью Ги элементарных посылок ( Afc 1 / Ги ). Тогда как ширина спектра второй Л f2, четвертой Д f и восьмой Л fe гармоник определяется длительностью Тс сигнала (Д f2 Дf4 Д fs 1/Тс),

Следовательно, при умножении фазы на два, четыре и восемь спектр сигнала сворачивается в N раз

,Мс Дfc Дfc

/i-i 1C i-A 1C LI 1C к |N

5

и трансформируется в одиночные спектральные составляющие. Это обстоятельство и является признаком распознавания сигнала. Спектры принимаемого сигнала и его гармоник визуально наблюдаются на экранах индикаторов соответственно (фиг.4а). Описанная выше работа устройства соответствует случаю приема сигналов по основному каналу на частоте fc (фиг.За). Если ФМн-2 сигнал принимается по зеркальному каналу на частоте fa, то усиливателями 3 и 9 промежуточной частоты выделяются напряжения) ,7r fnpt - (р к(г) + пр , Unpg(t) л fnpt - (f K(t) +(p np2+ 90°, гдеипр2 я-К1из -UK fnp2 f г - fs - промежуточная частота; -tpz Напряжение Unp(l) с выхода усилителя 9 промежуточной частоты поступает на входы фазовращателей 10,11 на +90° и -90°, на выходах которых образуются напряжения Unp/t), Unp,(t). Напряжения Unp (t) и Unp.(t), поступающие на два входа сумматора 4, на его выходе компенсируются. Напряжения Unp (t) и Unp (t) поступают на два входа сумматора 12, на выходе которого образуется напряжение) Ug.COS(27lfnpt - (t) + ) , О t Тз, Деи 2Unp. Это напряжение подается на второй вход перемножителя 17, на выходе которого образуется гармоническое напряжение U5(t} U5cos(2 л: frt + 9), где U5 - K2U3U2- , Узкополосным фильтром 18 выделяется напряжение Usft), которое после детектирования в амплитудном детектЬре 19 поступает на управляющий вход ключа 13 и открывает его. При этом напряжение ((} с выхода сумматора 12 через открытый ключ 13 поступает на вход блока 28 анализа. Дальнейшая работа блока 28 анализа описана BbiLue, Если ФМн-2 сигнал принимается по первому комбинационному каналу на частоте к(фИГ.З), UK/t) UK, fK/t)+(t)+y7k, , го усилителями 3 и 9 промежуточной частоты выделяются напряжения UnpJt), Unp (t). Напряжение Unp (t) с выхода усилителя 9 промежуточной частоты поступает на входы фазовращателей 10 и 11 на +90° и-90, на выходах которых образуются напряжения Unp,{t), Unp,|t). Напряжения Unp (t) и Unp (t), поступающие на два входа сумматора 4, на его выходе компенсируются. Напряжения Unpq(t) и Unp,, (t) поступают на два входа сумматора 12, на выходе которого образуется напряжение Ug(t) и Jifnpt (t) , , где . Это напряжение подается на второй вход перемножителя 17, на выходе которого образуется гармоническое нйпряжение, U6(t) иГ)С08(2СОг1+фг), гдеие Х ик и.,. Узкополосным фильтром 20 выделяется гармоническое напряжение UeW, которое после детектирования в амплитудном детекторе 21 поступает на управляющий вход ключа 22 и открывает его. При этом напряжение Ug. (t) с выхода сумматора 12 через открытый ключ 22 поступает на вход блока 23 анализа. Если ФМн-2 сигнал принимается по второму комбинационному каналу на частоте fк2(фиг.3) UK2COs 2l fK t +4 K(t) +cf g, , то усилителями 3 и 9 промежуточной частоты выделяются напряжения Unp (t) и Unp (t). Напряжение Unp (t) с выхода усилителя 9 промежуточной частоты поступает на входы фазовращателей 10 и 11 на +90° и -90°. на выходах которых образуются напряжения )и ). Напряжения Unp (t) и ), поступающие на два входа сумматора 12, на его выходе компенсируются. Напряжения Unp (t) и Unp (t) поступают на два входа сумматора 4. на выходе которого-образуется напряжение Zf fnpt +Cf K(t) np, . где U 2Unp4. Это напряжение подается на второй вход перемножителя 14, на выходе которого образуется гармоническое напряжение и7(г) и7соз(2.), 1 где U7 2 2 и Узкополосным фильтром 24 выделяется напряжение U7{t), которое после детектирования в амплитудном детекторе 35 поступает на управляющий вход ключа 26 и открывает его. При этом напряжение с выхода сумматора 4 через открытый ключ 26 поступает на вход блока 36 анализа. Если на вход анализатора спектра постуя3пает ФМн-4 сигнал к (t) О , , я, л. , то на выходе полосового фильтра 36 образуется ФМн-2 сигнал {(рк. (t) 0 , я , 2 тг, 3 л: , а на выходе полосовых фильтров 38 и 40 образуются соответствующие гармонические напряжения UsW и U4(t). В этом случае на экранах блоков 34.1, 34,2 индикации наблюдаются спектры ФМн-4 и ФМн-2 сигналов, а на экранах индикаторов 34.3 и 34.4 наблюдаются одинаковые спектральные составляющие. Если ФМн-4 сигналы принимаются по зеркальному или комбинационным каналам, то работа анализатора спектра происходит аналогичным образом.

Если на вход анализатора спектра поступает ФМн-8 сигнал

.чп л:35 3 7т

n(t)U. д , 2-

то на выходах полосовых фильтров 36 и 38 образуются ФМн-4 и ФМн-2 сигналы, а на выходе полосового фильтра 40 образуется гармоническое напряжение U4(t). В этом случае на экранах блоков 34.1, 34.2, 34.3 наблюдаются спектры ФМн-8; ФМн-4 и ФМн-2 сигналов, а на экране индикатора 34.4 наблюдается одиночная спектральная составляющая.

Если на вход устройства поступает ЧМн-2 сигнал (фи.г.4а), то на выходе полосового фильтра 36 образуется частотно-манипулированный сигнал с индексом девиации частоты h 1. При этом спектр трансформируется в две спектральные составляющие на частотах 4f i и 4f2. А на выходе полосового фильтра 40 образуются две спектральные составляющие на частотах 8fi и 8f2.

Если на вход устройства поступает ЧМн-3 сигнал (фиг.4б), то на выходах полосовых фильтров 36 и 40 образуются три спектральные составляющие на частотах 4fi, 4fc, 4f2 и 8fi, 8fcp, 8f2, т.е. сплошной спектр трансформируется в три спектральные составляющие. На выходе перемножителя 35 спектр ЧМн-3 трансформируется в другой сплошной спектр, поскольку .

Таким образом, на экранах блоков 34.1 и 34.2 индикации визуально будут наблюдаться сплошные спектры.

Если на вход устройства поступает ЧМн-5 сигнал (фиг.4в) то на выходе перемножителя 39 его сплошной спектр трансформируется в пять спектральных лепестков с пиковыми значениями на частотах 8fi, 8f4, 8fcp, 8f5 и 8f2. На выходах перемножителей 35 и 37 сплошной спектр ЧМн-5 сигнала трансформируется в другие сплошные спектры, так как h 1. Таким образом, на экранах блоков 34.1, 34.2, 34.3 индикации будут наблюдаться сплошные спектры, а на экране индикатора 34.4 - пять спектральных составляющих.

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

Uc(t) Uc COS(2и fcT+iVy t + Ц с),

.

Afa

- скорость изменения частоты

где у

внутри импульса;

uffl - девиация частоты.

то после преобразования по частоте и суммирования на выходе сумматора 4 образуется напряжение

5и (t) и fnpt +41 it + Clnp ,

23 г.,V (

.

которое поступает на пьезоэлектрический 10 преобразователь ячейки Брэгга 31.1 и на два входа перемножителя 35, на выходе которого образуется ЛЧМ сигнал

и 2

U8(t) Us cos{4fl fnpt + 2Hyt + 2Cfnp,).

15 ,

1

где Us К2 и j

который выделяется полосовым фильтром 36 и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 31.2.

Так как длительность Тс ЛЧМ сигнала на основной и удвоенной промежуточной частоте одинакова, то увеличение у в 2 раза происходит за счет увеличения в 2 раза девиации частоты Affl. Из этого следует, что ширина спектра ЛЧМ сигнала на удвоенной промежуточной частоте в 2 раза больше его

ширины на основной промежуточной частоте (А f2 2 Л fc).

Аналогично на выходах перемножителей 37 и 39 ширила спектра ЛЧМ сигнала увеличивается в 4 и 8 раз. Следовательно, на

экране блока 34.1 визуально наблюдается спектр ЛЧМ сигнала, а на экранах индикаторов 34.2, 34.3, 34.4 наблюдаются спектры Сигналов, ширина которых в 2, 4 и 8 раз больше ширины спектра исходного ЛЧМ

сигнала. Это обстоятельство и является признаком распознавания ЛЧМ сигнала. Формула изобретения 1. Акустооптический анализатор спектра по авт. св. № 1721534, отличающ и и с я тем, что. с целью расширения диапазона частот, в него введены первый блок анализа, последовательно соединенные фазовращатель на , второй сумматор, второй ключ и второй блок анализа,

последовательно соединенные пятый перемножитель, второй фильтр и второй амплитудный детектор, последовательно соединенные третий фильтр, третий амплитудный детектор, третий ключ и третий блок

анализа, последовательно соединенные четвертый фильтр, четвертый амплитудный детектор, четвертый ключ и четвертый блок анализа, причем к выходу второго усилителя промежуточной частоты подключен вход фазовращателя на -90, второй вход второго сумматора соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, а выход - к управляющим входам третьего ключа и первому зходу пятого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом приемной антенны и первым входом четвертого перемножителя, выход пятого перемножителя подключен к входу третьего фильтра, выход второго амплитудного детектора - к управляющему входу второго ключа, а вход первого блока анализа - к выходу первого ключа.

2. Анализатор спектра по п. 1, от л и ч аю щ и и с я тем, что блок анализа выполнен в виде последовательно соединенных первого перемножителя, первого полосового фильтра, второго перемножителя, второго полосового фильтра, третьего перемножителя и третьего полосового фильтра, а также установленных последовательно вдоль одной оптической оси лазера, коллиматора и четырех ячеек Брэгга, каждая из которых по ходу продифрагировавшего в ней луча через соответствующую линзу оптически связана с соответствующей матрицей фотодетектора, установленной в фокальной плоскости этой линзы и выходом подключенной к соответствующему индикатору, при этом два выхода первого перемножителя соединены с входом блока анализа и с пьезоэлектрическим преобразователем первой ячейки Брэгга, выход первого полосового фильтра подключен к второму входу второго перемножителя и пьезоэлектрическому преобразователю второй ячейки Брэгга, выход второго полосового фильтра - к второму входу третьего перемножителя и пьезоэлектрическому преобразователю третьей ячейки Брэгга, а выход третьего полосового фильтра - к пьезоэлектрическому преобразователю четвертой ячейки Брэгга.

Изобретение относится к радиоизмери- тельной технике и может использоваться для визуального анализа спектра исследуемых сигналов и определения вида их модуляции. Цель изобретения - расширение диапазона частот путем использования зеркального и комбинационных каналов. Цель достигается введением фильтров 20, 24, 18; амплитудных детекторов 21, 25, 19; ключей 13. 22, 26; фазовращателя 11 на -90°; перемножителя 17; сумматора 12 и блоков 6, 23. 27.28 анализа, последние выполнены в виде перемножителей, полосовых фильтров, лазера, коллиматора, четырех ячеек Брэгга, четырех линз, четырех матриц фотодетекторов и четырех блоков индикации. Устройство содержит также приемную антенну, преобразователь 2 частоты, смеситель 8, усилители 3 и 9 промежуточной частоты, перемножитель 14. фильтр 15, фазовращатели 7 и 10 на -^90*^. сумматор 4, узкополосный фильтр 5. амплитудный детектор 16. ключ 5. 5 ил.

Фиг. г

К,

пр

/у7Х7

Л

пр

fnp f/

лр

/г. 2fr

fr fc

Vue.J