АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА Советский патент 2014 года по МПК G01R23/16 

Предлагаемый широкополосный анализатор спектра предназначен для использования в радиотехнических установках различного назначения, в частности в радиолокации и радиоразведке.

Известны широкополосные анализаторы спектра, используемые в радиотехнических установках и приборах для оптимальной обработки и спектрального анализа входных сигналов (см. патент Франции №2057197 по кл. G01R 9/00, а также анализатор спектра, описанный в книге В.И. Тверского "Дисперсионно-временные методы измерений спектров радиосигналов", издательство "Советское радио", 1974, стр.96).

Из известных анализаторов спектра наиболее близким по технической сущности является анализатор спектра, описанный в упомянутой книге В.И. Тверского.

Этот анализатор спектра содержит дисперсионное устройство анализа и рециркуляционный умножитель каналов, соединенный через коммутатор с индикатором, и цепи синхронизации.

В рециркуляционном умножителе каналов этого анализатора спектров осуществляется накопление выборок выходного сигнала дисперсионного устройства анализа. Напряжение огибающей отклика анализатора спектра G(t) равно сумме напряжений откликов дисперсионного устройства анализа

$$G(t)={\displaystyle \sum _{к=0}^{m-1}{g}_{к}(m-1-к)(t)}$$

к=0, 1, 2…m-1.

При гармоническом сигнале на входе такого анализатора спектра вида

f(t)=A₀Cosωt

огибающая выходного сигнала рециркуляционного умножителя будет иметь вид функции Sinx/x и выражаться формулой:

$$G_0(t)=\frac{mT{A}_0{K}_0}{2\sqrt{n/a}}\left|\frac{Sin[\mathrm{0,5}mT({\Omega }_m-{\omega }_0)]}{\mathrm{0,5}mT({\Omega }_m-{\omega }_0)}\right|,где[1]$$

$${\Omega }_m=\raisebox{1ex}{$t$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2a$}\right.-(m-1)\raisebox{1ex}{$T$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2a$}\right.$$

2a - дисперсия линии задержки с постоянной дисперсией;

T - время задержки в линии задержки рециркулятора;

ω₀ - несущая частота.

Если же на вход анализатора спектра поступает частотно-модулированный сигнал вида

$$Sin({\omega }_{0}t+\frac{\alpha t^2}{2})$$ , 0<t<P,

где α - скорость изменения частоты;

P - длительность входного сигнала,

то частотная модуляция не устраняется дисперсионной линией дисперсионного устройства анализа. Вследствие этого напряжение на выходе рециркуляционного умножителя каналов после m-1 рециркуляции примет вид:

$$\begin{array}{l}{l}_{вых}={\displaystyle \sum _{к=0}^{m-1}\sin \left\{{\omega }_{0}t+\frac{\alpha }{2}{t}^2+к\left[\left(\Omega -\alpha T\right)t-{\omega }_{0}T+кT(\frac{\alpha }{2}T-\Omega \right]\right\}},\\ (m-1)T<t<mT=P,где[2]\end{array}$$ ,

$$\Omega =\frac{2\pi }{T}=\frac{T}{2a}$$ - частота сдвига в рециркуляторе,

к=1, 2…, m-1.

Квадратичный член к² в выражении [2] для выходного напряжения l указывает на несинфазность суммирования выборок выходного сигнала дисперсионного устройства анализа.

Последнее обстоятельство приводит к расширению отклика анализатора спектра, уменьшению его амплитуды, что приводит к ухудшению точности измерений и может полностью исключить возможность анализа сигналов с ЧМ.

К аналогичным результатам приводит также нарушение согласования закона модуляции частотно-модулированного гетеродина с дисперсионной характеристикой линии задержки дисперсионного устройства анализа.

Целью настоящего изобретения является обеспечение анализа широкополосных сигналов с линейной ЧМ несущей частоты при неизвестной скорости изменения последней, а также повышение точности измерений путем компенсации ЧМ в рециркуляционном умножителе каналов.

Поставленная цель достигается тем, что в широкополосный анализатор спектра, содержащий дисперсионное устройство анализа, состоящее из входного смесителя, частотно-модулированного гетеродина и соединенной с выходом входного смесителя дисперсионной линии задержки, к выходу которой подключен рециркулятор, состоящий из последовательно соединенных входного сумматора, недисперсионной линии задержки, усилителя, коммутатора, модулятора сдвига, выход которого подсоединен ко второму входу входного сумматора, индикатор, импульсный генератор, соединенный с выходом частотно-модулированного гетеродина и через последовательно соединенные делитель частоты и линию задержки с вторым входом коммутатора и входом индикатора; между выходом дисперсионной линии задержки и низкочастотным входом модулятора сдвига включены последовательно соединенные смеситель, второй вход которого соединен с вторым выходом частотно-модулированного гетеродина, линия задержки, второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом фильтра, фильтр нижних частот, третий смеситель, второй вход которого соединен с опорным генератором и второй фильтр нижних частот; между вторым выходом частотно-модулированного гетеродина и вторым входом входного смесителя включены последовательно соединенные линия задержки и сумматор, причем второй вход сумматора соединен с вторым выходом частотно-модулированного гетеродина; между выходом дисперсионной линии задержки и индикатором последовательно включены линия задержки, второй рециркулятор, аналогичный первому, имеющий общие с первым коммутатор и модулятор сдвига, и выходной сумматор, два входа которого соединены с соответствующими выходами коммутатора.

На чертеже изображена схема широкополосного анализатора спектра.

В состав его входят:

входной смеситель 1, соединенный с ним сумматор 2, ЧМ гетеродин 3, соединенный с сумматором 2, линия задержки 4, включенная между ЧМ гетеродином и вторым входом сумматора 2, дисперсионная линия задержки 5, линия задержки 6, соединенная с выходом дисперсионной линии задержки, входные сумматоры 7, подключенные соответственно к входу и выходу линии задержки 6, недисперсионные линии задержки 8, соединенные с соответствующими выходами сумматоров 7, усилители 9, включенные на выходах недисперсионных линий задержки 8, коммутатор 10, соединенный с выходами соответствующих усилителей 9, модулятор сдвига 11, включенный между коммутатором и вторым входом сумматоров 7, смеситель 12, два входа которого подключены к выходу дисперсионной линии задержки 5 и к выходу ЧМ гетеродина 3, фильтр 13, соединенный с выходом смесителя 12, линия задержки 14, подключенная к выходу фильтра 13, второй смеситель 15, один вход которого соединен с выходом фильтра 13, а второй - с выходом линии задержки 14, фильтр нижних частот 16, подключенный к выходу второго смесителя 15, третий смеситель 17, вход которого соединен с фильтром нижних частот 16, опорный генератор 18, соединенный со вторым входом третьего смесителя 17, второй фильтр нижних частот 19, вход которого соединен с выходом третьего смесителя 17, а выход - с низкочастотным модулятором сдвига 11, выходной сумматор 20, входы которого соединены с соответствующими выходами коммутатора 10, индикатор 21, соединенный с выходом выходного сумматора 20, импульсный генератор 22, выход которого подключен к ЧМ гетеродину 3, делитель частоты 23, соединенный с вторым выходом импульсного генератора 22, линия задержки 24, вход которой подключен к делителю частоты 23, а выход соединен с вторым входом индикатора 21 и третьим входом коммутатора 10.

Широкополосный анализатор спектра работает следующим образом.

На вход смесителя 1 поступает ЧМ сигнал вида

$$Sin({\omega }_{0}t+\frac{\mu t^2}{2})$$ , 0<t<P,

где µ - скорость изменения несущей частоты;

P - длительность ЧМ сигнала.

На второй вход входного смесителя 1 с выхода частотно-модулированного гетеродина 3, через сумматор 2 поступает последовательность радиоимпульсов с линейно изменяющейся во времени частотой заполнения длительностью T, скважностью, близкой к единице, и скоростью изменения частоты S. Кроме этого, с выхода частотно-модулированного гетеродина 3 через линию задержки 4 и сумматор 2 на второй вход входного смесителя 1 подается задержанная на T/2 последовательность радиоимпульсов. С выхода входного смесителя 1 сигнал промежуточной частоты поступает на дисперсионную линию задержки 5 с постоянной дисперсией, равной 2а.

Условием согласования сигнала гетеродина с характеристикой дисперсии является равенство:

$$S=-1/2a$$

Вследствие линейной частотной модуляции входного сигнала или возможного рассогласования сигнала частотно-модулированного гетеродина в дисперсионной линии задержки на выходе будут появляться импульсы с частотой следования 2m и частотной модуляцией со скоростью изменения частоты

$$\alpha =\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2a$}\right.-S+\mu$$

Форма огибающей этих импульсов будет существенно отличаться от функции Sinx/x.

С некоторым упрощением, несущественным для объяснения принципа работы, выходное напряжение дисперсионной линии задержки может быть записано:

$$Sin\left({\omega }_{0}t+\frac{\alpha }{2}{t}^2\right)$$ , 0<t<P.

Это напряжение поступает на вход рециркулятора, состоящего из последовательного соединения сумматора 7, недисперсионной линии задержки 8, усилителя 9, коммутатора 10, модулятора сдвига 11, соединенного с вторым входом входного сумматора 7. На низкочастотный вход модулятора 11 поступает также напряжение сдвига.

Если частота сдвига равна $$\Omega =\frac{2\pi }{T}$$ , то выходное напряжение рециркулятора, снимаемое с усилителя 9, будет описываться суммой [2], характеризующей несинфазность суммирования сигналов рециркулятором.

Для обеспечения синфазного накопления выборок необходимо, чтобы частота сдвига была равна

$$\Omega =\frac{2\pi }{T}+\frac{\alpha }{2}T,где\frac{2\pi }{T}={\omega }_m[3]$$

Тогда сумма [2] приведется к формулам кратных дуг

$${\displaystyle \sum _{к=0}^{m-1}\sin (x+кy)=Sin\left(x+\frac{m-1}{2}y\frac{Sinmy/2}{Siny/2}\right)}[4]$$

Напряжение на выходе рециркулятора с учетом [3], [4] будет равно

$$\begin{array}{l}{l}_{вых}=Sin\left\{{\omega }_{0}t+\frac{\alpha }{2}{t}^2+\frac{m-1}{2}\left[\left({\omega }_m-\frac{\alpha }{2}T\right)t-{\omega }_{0}T\right]\right\}\times \\ \frac{Sin\frac{m}{2}\left[\left({\omega }_m-\frac{\alpha }{2}T\right)t-{\omega }_{0}T\right]}{Sin\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\left[\left({\omega }_m-\frac{\alpha }{2}T\right)t-{\omega }_{0}T\right]},\end{array}$$

$$(m-1)T<t<mT=P$$

Поскольку ω₀>>ω_m, второй член выражения [5] можно рассматривать как огибающую E сигнала на выходе рециркулятора

$$E\cong \frac{Sin\frac{m}{2}\left[\left({\omega }_m-\frac{\alpha }{2}T\right)t-{\omega }_{0}T\right]}{1/2\left[\left({\omega }_m-\frac{\alpha }{2}T\right)t-{\omega }_{0}T\right]}$$ ,

то есть, с точностью до постоянного множителя совпадает с формой отклика [1] широкополосного анализатора спектра на немодулированный гармонический сигнал. Отличие объясняется оговоренными упрощениями, сделанными ранее.

Аналогично работает и второй рециркулятор, идентичный первому и подключенный к выходу линии задержки с постоянной дисперсией через линию задержки 6 и суммирующий сдвинутую на Т/2 последовательность.

Напряжение с частотой $$\Omega ={\omega }_m+\frac{\alpha }{2}T$$ , обеспечивающее компенсацию ЧМ, формируется следующим образом.

Сигнал с выхода линии с постоянной дисперсией поступает на вход смесителя 12, на второй вход которого со второго выхода частотно-модулированного гетеродина 3 поступают частотно-модулированные импульсы, скорость изменения частоты которых равна S. На выходе смесителя 12 выделяется напряжение, скорость изменения частоты которого

$$\gamma =\alpha +S$$

Это напряжение подается через фильтр 13 на вход второго смесителя 15; на второй вход смесители 15 подаются задержанные на T/2 импульсы, соответствующие перекрывающимся выборкам входного сигнала, то есть сдвинутая на T/2 серия выходных импульсов дисперсионной линии задержки.

На выходе смесителя 12 образуется сигнал с разностной частотой $$\Omega \text{'}=\gamma \frac{T}{2}$$ , характеризующей скорость изменения частоты сигнала.

После фильтрации фильтром нижних частот 16 сигнал с частотой Ω′ в смесителе 17 смешивается с гармоническим сигналом опорного генератора 18. После фильтрации разностной частоты фильтром нижних частот 19 последний подается на низкочастотный вход модулятора сдвига 11.

Частота этого сигнала

$$\Omega ={\omega }_2+\frac{\alpha }{2}T+\frac{S}{2}T$$ , $$\Omega \text{'}=\frac{\alpha }{2}T+\frac{S}{2}T$$ ,

где ω₂ - частота напряжения опорного генератора; или

$$\Omega ={\omega }_2+\frac{\alpha }{2}T+\frac{S}{2}T$$

где $${\omega }_m={\omega }_2+\frac{S}{2}T$$ - постоянная величина.

Таким образом сформированный сигнал с частотой $$\Omega ={\omega }_m+\frac{\alpha }{2}T$$ обеспечивает компенсацию ЧМ в рециркуляторах.

Выходные сигналы рециркуляторов поступают через коммутатор 10 на сумматор 20 и после суммирования на индикатор 21.

Синхронизация широкополосного анализатора спектра осуществляется с помощью импульсного генератора 22, один из выходов которого подключен к входу частотно-модулированного гетеродина 3, а второй - через делитель частоты 23 и соединенную с ним линию задержки 24 к третьему входу коммутатора 10 и второму входу индикатора 21.

Введение новых элементов, обеспечивающих формирование из выходного сигнала дисперсионного устройства анализа опорного сигнала рециркуляторов, выгодно отличает предлагаемый широкополосный анализатор спектра от указанного прототипа, так как позволяет использовать его для анализа сигналов, несущая частота которых изменяется линейно во времени.

Это преимущество может быть использовано, например, для быстрого обнаружения и анализа сигналов, принимаемых с подвижных объектов, несущая частота излучаемых сигналов которых изменяется во времени вследствие эффекта Допплера. Например, широкополосный анализатор спектра этого типа может быть использован для обнаружения и измерения параметров сигналов, поступающих от ИСЗ и ракет.

Целесообразно также его использование в системах разведки широкополосных сигналов с неизвестным законом изменения несущей частоты.

Кроме того, точность измерения спектра этим анализатором повышается, так как исключаются ошибки, обусловленные рассогласованием закона модуляции частотно-модулированного гетеродина с дисперсионной характеристикой линии задержки, существующим в реальных устройствах такого типа.

Так как не требуется точного согласования, то производство предлагаемого широкополосного анализатора спектра упрощается.

Анализатор предназначен для использования в радиотехнических установках различного назначения, в частности в радиолокации и радиоразведке. Анализатор содержит дисперсионную и две недисперсионные линии задержки. Включает в себя четыре линии задержки, три смесителя. Недисперсионные линии задержки соединены каждая со своим входным сумматором и усилителем, выходы которого в свою очередь подключены к соответствующему входу коммутатора. Дополнительно включает в себя импульсный генератор, модулятор сдвига, частотно-модулированный гетеродин, опорный генератор и два частотных фильтра. Технический результат заключается в возможности обнаружения и измерения параметров сигналов с линейной частотной модуляцией при неизвестной скорости изменения несущей частоты. Дополнительный результат заключается в упрощении производства. 1 ил.

Анализатор спектра, содержащий последовательно соединенные входной смеситель и дисперсионную линию задержки, последовательно соединенные входной сумматор, недисперсионную линию задержки и усилитель, выход которого связан с первым входом коммутатора, последовательно соединенные частотно-модулированный гетеродин, импульсный генератор, делитель частоты и линия задержки, выход которой связан со вторым входом коммутатора и первым входом индикатора, а также модулятор сдвига, своим выходом подключенный к третьему входу коммутатора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности анализа, он снабжен последовательно соединенными смесителем, фильтром, второй линией задержки, вторым смесителем, вторым своим входом связанным со вторым выходом фильтра, фильтром нижних частот, третьим смесителем и вторым фильтром нижних частот, выход которого соединен со входом модулятора сдвига, опорным генератором, подключенным к второму входу третьего смесителя, третьей линией задержки, включенной между дисперсионной линией задержки и входным сумматором, последовательно соединенными вторым входным сумматором, второй недисперсионной линией задержки и вторым усилителем, выход которого соединен с четвертым входом коммутатора, выходным сумматором, включенным между коммутатором и индикатором, а также четвертой линией задержки и сумматором, входы которого соединены с выходами четвертой линии задержки и выходом частотно-модулированного гетеродина, а выход - с входом входного смесителя, причем первый вход первого смесителя связан с вторым выходом частотно-модулированного гетеродина, второй вход - с входом третьей линии задержки и второго входного сумматора, а вход модулятора сдвига - с вторыми входами обоих входных сумматоров.