Устройство для распознавания информационных сигналов Советский патент 1993 года по МПК G06K9/00 

XI 00

ю

Ю ON

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике. Его использование для визуального анализа амплитудного спектра сигналов и определения вида их модуляции позволяет повысить точность распознавания сигнала. Устройство содержит блок 26 приема и усиления сигнала, источник 8 излучения, коллиматор 9, модулятор 10 излучения, объектив 14 и фотоприемник 18. Поставленная цель достигается благодаря введению удвоителей 5-7 фазы сигнала, модуляторов 11-13 излучения, объективов 15-17 и фотоприемников 19-21.4 ил.

Фиг.1

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для визуального анализа амплитудного спектра информационных сигналов и определения вида их модуляции.

Известные устройства распознавания информационных сигналов основаны: на преобразовании принимаемого сигнала в цифре вой код м использовании ковариационной матрицы; на использовании в качестве при- знака распЬ5зна ва ния Ше ргетического спектра йа трансформаций Сггёктр а принимаемого сигнала; на йсп6ЖзЪч§ а1ШГ1П ачест8е признака распознавания широкополосной функции неопределенности; на частотном и амплитудном детектировании принимаемого сигнала с последующим сравнением результатов детектирования между собой на определении формы изменения принимаемого сигнала на дискретном интервале вре- мени.

Из известных устройств наиболее близким к Предлагаемому является устройство, реализующее способ распознавания .информационных сигналов. В указанном уст- ройстве в качестве признака распознавания информационных сигналов с большой базой используется широкополосная функция неопределенности.

Однако широкополосные функции неоп- ределенности некоторых информационных сигналов с большой базой незначительно отличаются друг от друга. Поэтому указанное устройство не обеспечивает достоверного распознавания информационных сигналов с большой базой. Кроме того, оно не позволяет оценить основные параметры распознаваемого информационного сигнала.

Целью изобретения является повышение точности распознавания сигнала. По- ставленная цель достигается тем, что в устройство введены последовательно соединенные первый-третий удвоители фазы сигнала, а также второй-четвертый модуляторы излучения, второй-четвертый объекти- вы, и второй-четвертый фотоприемники, вход первого удвоителя фазы подключен к выходу блока приема и усиления сигнала, коллиматор, i-ый модулятор излучения (I- 2,...,4), 1-й объектив и i-й фотоприемники по- следовательно оптически связаны, причем вход 1-го модулятора излучения подключен к выходу (И)-го удвоителя фазы сигнала, а выход 1-го фотоприемника является 1-м информационным выходом устройства.

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 1; вид возможных осциллограмм показан на фиг. 2; взаимное расположение символьных частот сигналов с многократной частотной манипуляцией показано на фиг. 3; закон изменения фазы ЧМН сигнала изображен на фиг. 4.

Устройство распознавания информационных сигналов содержит последовательно включенные антенну 1, смеситель 3, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 2, усилитель 4 промежуточной частоты, умножитель 5 фазы на два, умножитель б фазы на два и умножитель 7 фазы на два. На пути распространения оптического сигнала источника 8, сколлимированного коллиматором 9, последовательно установлены модуляторы излучения 10-13. На пути каждого дифрагированного пучка света установлена линза 14 (15, 16, 17}, в фокальной плоскости которой размещен фотоприемник 18(19, 20, 21). Антенна 1, гетеродин 2, смеситель 3 и усилитель промежуточной частоты образуют блок 26 приема и усиления сигнала. В качестве источника излучения 8 используется лазер. В качестве модуляторов 10-13 излучения используются ячейки Брэгга.

. Распознавание информационных сигналов с большой базой основано на получении и анализе их амплитудных спектров. Причем в качестве признаков распознавания используются деформации амплитудного спектра принимаемого информационного сигнала при умножении его фазы на два, четыре и восемь.

Устройство работает следующим образом, Если на вход устройства поступает ин- формационный сигнал с фазовой манипуляцией ФМн, то его аналитически можно записать следующим образом;

Uc(t)Uc я fct + р k(t)+ рс, 0 t Тс. где Uc, fc. рс, Тс - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала:

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

ти, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью TC( Tu).

Если на одной несущей частоте дискретная информация передается от одного источника сообщения, то целесообразно использовать однократную (бинарную) фазовую манипуляцию ФМн-2,у (т.) 0д. Для передачи сообщений от двух источников используется двухкратная фазовая манипуляция ФМн-4, pk (t) TJ. 7Я3

Причем от одного источника фаза манипули- руется по закону 0- я, а от другого - по

закону TJ --пП. Для передачи сообщений

от четырех источников используется трехкратная фазовая манипуляция ФМн-8,

(t)-0,f, общем случае на одной несущей частоте одновременно можно передавать сообщения от п источников, используя для этого n-кратную фазовую манипуляцию. Однако целесообразными являются одно-, двух- и трехкратная фазовые манипуляции, которые и нашли широкое применение на практике. Дальнейшее повышение кратности фазовой манипуляции ограничивается тем, что уменьшается расстояние между элеменарными сигналами и в существенной мере снижается помехоустойчивость канала связи.

Принимаемый ФМн-2 сигнал с выхода антенны поступает на первый вход смесителя 3, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 2:

Ur{thUr .cos (2л: fr t + ), где Ur. fr. амплитуда, частота и начальная фаза напряжения гетеродина.

На выходе смесителя 3 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 4 выделяется напряжение только промежуточной (разностной) частоты UnP(t)Unp fnpt+ fb (t)+ уэпр, 0t TC,

где Unp TJ- K Uc.Ur, (t) O.jr,

К - коэффициент передачи смесителя;

.-fr - промежуточная частота;

9°np fa - fir - промежуточная начальная фаза,

которое последовательно поступает на входы умножителей 5, 6 и 7 фазы на два. На заходах последних образуются напряжения

Unpi(t)UnP cos(4 n fnPt+2 /)np),

UnP2(t)Unp cos(8ttfnpt+4 pnp),

Unp3( COS(1 б ;7rfnpt+8 Опр), 0 t ТС

Так как 2 pk (t 0, 2 n 4 (f (t) 0, 4л:; pk (t) 0,8 Jt,

ro в указанных колебаниях фазовая манипуяция уже отсутствует.

Оптический сигнал формируется с поощью лазера 8 и коллиматора 9. Пространтвенная модуляция оптического сигнала информационным сигналом Unp(t) и его гармониками Unpi(t), Unp2(t), Ь прзМ осуществлятся с помощью ячеек Брэгга 10-13 оответственно. Каждая ячейка Брэгга сотоит из звукопровода и возбуждающей гиперзвук пьезоэлектрической пластины пьезоэлектрического преобразователя), выполненной из кристалла ниобата лития оответственно X и У-35° среза. Это обеспечивает автоматическую подстройку по углу Брэгга и работу ячейки в широком диапазоне частот.

Напряжения Unp(t), Unpi(t), Unp2(t) и Unp3(t) с выхода усилителя 4 промежуточной частоты и умножителей 5, б и 7 фазы на два поступают на пьезоэлектрические преобразователи ячеек Брэгга 10-13. Ячейки Брэгга располагаются таким образом, чтобы скол0 лимированный оптический сигнал проходил через все ячейки Брэгга. Пьезоэлектрические преобразователи преобразуют информационный сигнал Unp(t) и его гармоники Unpi(t), Unp2(t) и Unp3(t) в ультразвуковые ко5 лебания, Сколлимированный оптический сигнал, проходя ячейки Брэгга 10-13, дифрагирует на акустооптическиз колебаниях возбужденных сигналом Unp(t) и его гармониками Unpi(t), Unp2(t), Unp3(t). Следует отме0 тить, что дифрагирует только приблизительно 1 / 10 часть сколлимирован- ного оптического сигнала. На пути распространения каждого дифрагированного пучка света установлена 71ин за 14 (15, 16,

5 17), в фокальной плоскости которой размещен фотоприемник 18 (19, 20, 21) к выходу которого подключен индикатор 22 (23, 24, 25) в качестве которого может быть использован осциллографический индикатор.

0 Ширина спектра Afc ФМн-2 сигнала определяется длительностью гп его элементарных посылок (). Тогда как ширина спектра второй Af2, четвертой Afci и восьмой Afe гармоник сигнала определяет5 Ся длительностью Тс сигнала (Af2-A ). Следовательно, при умножении фазы на два, четыре и восемь спектр ФМн-2 сигнала сворачивается в N раз ,Afc Afc Afc . 1N

0 ZTFJ Ala и тРансФ°РмиРУется в одиночные спектральные составляющие. Это обстоятельство и является признаком распознавания ФМн-2 сигнала. Амплитудные спектры принимаемого ФМн-2 сигнала

$ и его гармонических составляющих наблюдаются на экранах индикаторов 22-25 (фиг. 2а).

Если на вход устройства поступает информационный сигнал с двухкратной фазовой ма0л: 3

нипуляцией ФМн-4, у (t) 0, у, Л, - л, то

на выходе умножителя 5 фазы на два образуется ФМн-2 сигнал у (t) 0, л, 2 Jt, 3л, а на выходе умножителей 6 и 7 фазы на два , образуются соответствующие гармонические колебания Unp2(t) и Unp3(t). В этом случае на экранах индикаторов 22 и 23 наблюдаются амплитудные спектры ФМн-4 и ФМн-2 сигналов, а на экранах индикаторов 24 и 25 наблюдаются одиночные спектральные составляющие (фиг. 26).

Если на вход устройства поступает ФМн-8

г / ч. 5 37т сигнал (pk (t) U, 2р ту- 3 я я Д я 2 3 я

то на выходах умножителей 5 и б фазы на два образуются ФМн-4 и ФМн-2 сигналы, а на выходе умножителя 7 фазы на два образуется гармоническое колебание Unp3(t). В этом случае на экранах индикаторов 22, 23 и 24 наблюдаются амплитудные спектры ФМн- 8, ФМн-4 и ФМн-2 сигналов, а на экране индикатора 25 наблюдается одиночная спектральная составляющая (фиг. 2в). Именно такая ситуация характерна для ФМн-8 сигнала.

Среди информационных сигналов с частотной манипуляцией (ЧМн) широкое распространение получили сигналы с минимальной частотной манипуляцией (ЧМн-2), с дуобинарной частотной манипуляцией (ЧМн-3) и со скрученной частотной манипуляцией ЧМн-5 (фиг, 3),

Сложный ЧМн-2 сигнал аналитически описывается выражением

Uc(t) . Uc к fcp t + p (t) + pc, 0 t Tc где p (t) - изменяющаяся во времени фазовая функция (фиг. 4);.

, f 1 -f f2 fcp A средняя частота сигнала;

f 1 тср-1 /4 гп - частота сигнала, соответствующая символу

f2 fcp+1 /4 гп - частота сигнала, соответствующая символу + Г.

Фазовая функция p(t) может быть представлена выражением

p(t)2tth/ У bkg(r-kr)dr,

-ооТ где bk - последовательность информационных символов {-1,+1}; .

h -х - индекс девиации частоты;

1

9(t) f

1 О

гп, t Ј 0,гп

t & 0, гп.

Фазовая функция на каждом символьном интервале гп изменяется во времени линейно. За время одного символьного интервала набег фазы равен + я/2.

Если на вход устройства поступает ЧМн-2 сигнал, то на выходе умножителя 5 фазы на два образуется ЧМн сигнал с индек- сом девиации частоты . При этом его амплитудный спектр трансформируется в две спектральные составляющие на частотах 2fi и 2f2. На выходах умножителей 6 и 7 фазы на два образуются две спектральные

составляющие на частотах 4ft, 4f2 и 8fi, 8f2 соответственно (фиг. 2г).

Если на вход устройства поступает ЧМн-3 сигнал, то на выходах умножителей 6 и 7 фазы на два образуются три спектральные составляющие на частотах 4fi, 4fcp, 4fa и 8fi, 8fcp, 8f2, т.е. сплошной спектр трансформируется в три спектральные составляющие (фиг. 2д), На выходе умножителя 5 фазы на два амплитудный спектр ЧМн-3 сигнала трансформируется в другой сплошной спектр поскольку .

Таким образом, на экранах индикаторов 22 и 23 будут наблюдаться сплошные амплитудные спектры (фиг. 2д).

Если на вход устройства поступает ЧМн-5 сигнал, то на выходе умножителя 7 фазы на два его сплошной спектр трансформируется в пять спектральных лепестков с пиковыми значениями на частотах 8fi, 8f3, 8fcp, 8f4 и 8f2. На выходах умножителей 5 и 6 фазы на

два сплошной спектр ЧМн-5 сигнала трансформируется в другие сплошные амплитудные спектры, так как в этом случае . Таким образом, на экранах индикаторов 22, 23 и 24 будут наблюдаться сплошные амплитудные спектры, а на экране индикатора 25 - пять сплошных лепестков (фиг. 2е). Именно такая ситуация и является признаком распознавания ЧМн-5 сигнала.

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

Uc(t)Uc COS(2 7Г fc t -f Ч- pc),

О t TCv

где fc - начальная частота сигнала; A fa

У - скорость изменения частота

внутри импульса,

A fa - девиация частоты: то преобразователем частоты он переносит ся на промежуточную частоту

Unp(t)

Unp С08(2л: fnp t -f Л у t2 + рпр), 0 t Тс,

Напряжение Unp(t) выделяется усилителем 4 промежуточной частоты и поступает на ячейку Брегга 10 и на вход умножителя 5 фазы на два, на выходе которого образуется ЛЧМ

Unpi(t

Unp cos(4 Л fnp t -f 2 л у t2 4- 2 0f,p), 0 t Tc

который поступает на ячейку Брегга 11. Так как длительность Тс ЛЧМ сигналов на основной и удвоенной промежуточных частотах одинакова, то увеличение у в 2 раза происходит за счет увеличения в 2 раза девиации

частоты A fd . Из этого следует, что ширина спектра ЛЧМ сигнала на удвоенной промежуточной частоте в 2 раза больше его ширине спектра на основной промежуточной частоте Afc (A f2 2 Afc).

Аналогично на выходах умножителей 6 и 7 фазы на два ширина спектра ЛЧМ-сиг- нала увеличивается в 4 и 8 раз. Следовательно, на экране индикатора 22 визуально наблюдается и анализируется амплитудный спектр ЛЧМ-сигнала, а на экранах индикаторов 23,24 и 25 наблюдаются амплитудные спектры ЛЧМ сигналов, ширина спектра которых в 2, 4 и 8 раз больше ширины спектра

Формула изобретен.ия

Устройство для распознавания информационных сигналов, содержащее блок приема и усиления сигнала и последовательно оптически связанные источник излучения, коллиматор, первый модулятор излучения, управляющий вход которого соединен с выходом блока приема и усиления сигнала, первый объектив и первый фотоприемник, выход которого является первым информационным выходом устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения точности распознавания сигнала, в

7000

mWj) тгштгл) (идиш) иГОЙма) лчм

й.2

0

5

исходного ЛЧМ сигнала (Af2 2 Afc, Afy - 4 Afc, Afc) (фиг. 2ж). Это обстоятельство и является признаком распознавания ЛЧМ сигнала.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает повышение достоверности визуального распознавания и оценки принимаемого информационного сигнала с большой базой. Это достигается путем использования в качестве признаков распознавания амплитудного спектра и его деформаций при умножении фазы принимаемого сигнала на два, четыре и восемь.

ройство введены последовательно соединенные первый-третий удвоители фазы сигнала, а также второй-четвертый модуляторы излучения, второй-четвертый объективы и второй-четвертый фотоприемники, вход первого удвоителя фазы подключен к выходу блока приема и усиления сигнала, коллиматор, 1-й модулятор излучения (,...,4), 1-й объектив и f-й фотоприемник последовательно оптически связаны, причем вход 1-го модулятора излучения подключен к выходу (1-1)-го удвоителя фазы сигнала, а выход 1-го фотоприемника являет 1-м информационным выходом устройств.

х4

а.

К И)

; А

±

4ТИ

S.

&

f

jL

4Tu.

ЧМн-5

-f

J