Акустооптический анализатор спектра

 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике. Цель изобретения - повышение помехоустойчивости и избирательности . Анализатор содержит лазер 1, коллиматор 2, ячейки Брегга 3, линзы 4. матрицы фотодетекторов 5, блоки 6 визуальной индикации , приемную антенну 7, смеситель 8, гетеродин 21, усилитель 9 промежуточной

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sl)s G 01 R 23/17

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР ..

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4768528/21 (22) 11.12.89 (46) 23.03.92. Бюл. М 11 (72) В.И.Дикарев, А.В.Мардин, В.В.Мельник и А.А.Смирнов (53) 621.317 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1187095, кл. 6 01 R 23/16, 1985.

Авторское свидетельство СССР

М 1626182, кл. G 01 R 23/17, 24.01.89.

„„Я „„1721534 А1

2 (54) АКУСТООПТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР

СПЕКТРА (57) Изобретение относится к радиоизмерительной технике. Цель изобретения — повышение помехоустойчивости и избирательности. Анализатор содержит лазер 1, коллиматор 2, ячейки Брегга 3, линзы 4, матрицы фотодетекторов 5, блоки 6 визуальной индикации, приемную антенну 7, смеситель 8, гетеродин 21, усилитель 9 промежуточной

1721534

14, перемнажитель 15, узкополосный фильтр 16, амплитудный детектор 17, ключ

18, фазовращатель 19 на 90 и смеситель 20.

5 ил. частоты, перемножители 10, и полосовые фильтры 11. Для достижения цели в него введены усилитель 12 промежуточной частоты, фазовращатель 13 на 90О, сумматор

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

Известны акустооптические анализаторы спектра.

Наиболее близким к предлагаемому является акустический анализатор спектра, который обеспечивает детальный анализ спектра и визуальное определение вида модуляции принимаемого сигнала. Это достигается использованием в качестве информативных признаков ширины спектра и изменений в его структуре при умножении фазы принимаемого сигнала на два, четыре и восемь.Недостатками указанного анализатора спектра являются низкая помехоустойчивость и избирательность. Это объясняется тем, что одно и тоже значение промежуточной частоты может быть получено в результате приема сигналов на двух частотах f< и

fa, т.е, fnp = с з и пр = г. з.

Следовательно, если частоту настройки

fc принять за основной канал приема, то наряду с ним будет иметь место зеркальный канал приема, частота f3 которого отличается от частоты fc íà 2fnp и расположена симметрично(зеркально) относительно частоты гетеродина fr (фиг. 5). -Преобразование по зеркальному каналу приема происходит с тем же коэффициентом преобразования

Мпр, что и по основному каналу, Поэтому он наиболее существенно влияет на избирательность и помехоустойчивость анализатора спектра.

Кроме зеркального, существуют и другие дополнительные (комбинационные) ".àналы приема, частоту которых можно определить из следующего равенства:

m 1

fk1 = — ff + — fnp и и где m, и — целые числа.

Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующиеся при взаимодействии несущей частоты принимаемого сигнала с второй гармоникой частоты гетеродина; так как чувствительность этих каналов близка к чувст25

50 вительности основного канала приема. Так, при m = 2 и п = 1 двум комбинационным каналам соответствуют частоты

fk1 = 2 г — fnp и fk2 = 2 г + fnp.

Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам, приводит к снижению помехоустойчивости и избирательности анализатора спектра.

Целью изобретения является повышение помехоустойчивости и избирательности, Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены второй смеситель, второй усилитель промежуточной частоты, два фазовращателя на 90О, сумматор, четвертый перемножитель, узкополосный фильтр, амплитудный детектор и ключ, при этом первые входы второго смесителя и четвертого перемножителя подключены к приемной антенне, второй вход второго смесителя через первый фазовращатель на

90 соединен с вторым выходом гетеродина, а выход через последовательно соединенные второй усилитель промежуточной частоты и второй фазовращатель на 90 — с вторым входом сумматора, первый вход которого подключен к выходу первого усилителя промежуточной частоты, а выход — к второму входу четвертого перемножителя и первому входу ключа, выход которого соединен с входами первого перемножителя и пьезоэлектрическим преобразователем. первой ячейки Брэгга, а второй вход через последовательно соединенные узкополосный фильтр и амплитудный детектор — с выходом четвертого перемножителя.

На фиг. 1 дана структурная схема предлагаемого анализатора спектра; на фиг. 2— осциллограммы на экранах блоков индика-. ции; на фиг, 3 — взаимное расположение символьных чаСтот сигналов с многократной частотной манипуляцией; на фиг. 4— закон изменения фазы частотно-манипулированного сигнала; на фиг. 5 — частотная диаграмма, поясняющая принцип образования дополнительных (зеркального и комбинационных) каналов приема, Акустооптический анализатор спектра содержит последовательно оптически соединенные лазер 1, коллиматор 2 и ячейку

1721534 вые входы смесителей 8 и 20 и перемножи50

Брэгга 3, в продифрагированном луче которой последовательно установлены линза 4 и матрица фотодетекторов 5 в ее фокальной плоскости, электрическим выходом подклю- 55 ченная к блоку 6 визуальной индикации спектра. При этом по ходу непродифрагированного в первой ячейки Брэгга луча расположены ячейки Брэгга 3 (3.1-3.3), по ходу продифрагировайного в каждой из ячеек

Брэгга 3 (3.1-3.3) луча последовательно установлены линза 4 (4.1 — 4.3) и расположенная в ее фокальной плоскости матрица фотодетекторов 5 (5,1-5.3), электрическим выходом подключенная к блоку 6 (6.1 — 6.3) 5 визуальной индикации спектра. К выходу приемной антенны 7 последовательно подключены смеситель 8, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 21, усилитель 9 промежуточной частоты, сумматор 10

14, ключ 18, перемножитель 10.1, полосовой фильтр 11.1, перемножитель 10.2, полосовой фильтр 11,2, перемножитель 10.3 и полосовой фильтр 11.3. К выходу приемной антенны 7 последовательно подключены 15 смеситель 20, второй вход которого через фазовращатель 19 на 90 соединен с втооым входом гетеродина 21, усилитель 12 промежуточной частоты и фазовращатель 13 на

90О, выход которого соединен с вторым вхо- 20 дом сумматора 14. К выходу приемной антенны 7 последовательно подключены перемножитель 15, второй вход которого соединен с выходом сумматора 14, узкополосный фильтр 16 и амплитудный детектор 25

17, выход которого соединен с вторым входом, ключа 18. Выход полосового фильтра

11.1 (11.2, 11.3) соединен с пьезоэлектрическим преобразователем ячейки Брэгга 3.1 (3,2, 3,31. 30

Акустоаптический анализатор спектра работает следующим образом.

Принимаемый сигнал, например, с фазовой манипуляцией (ФМн)

Uc(t)= Ос соз (2_#_fc t.+ 35

+ р, (t) + р,), 0 < t < Т,, где Uc fc. Tc, pc — амплитуда, несущая частота, длительность и начальная фаза;

p< (t) — манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой мани- 40 пуляции, причем y< (t) = const, при k tn < t <

< (k+ 1) тп и может изменяться скачком при

t = k tn, т.е. нэ границах между элементарными посылками k = 1, 2,..., N-1, где tn, N— длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Tc (Tc = N тп) с выхода приемной антенны 7 одновременно поступает на- пертеля 15. На второй вход смесигеля 8 подается напряжение гетеродина 21

Ur, (с) = Ur cos (2 л fr + P-). где Чг, fr, p- — амплитуда, частота и начальная фаза напряжения гетеродина.

На второй вход смесителя 20 с выхода фазовращателя 19 на 90 подается напряжение

Ur (t) = U» cos (2 л г t + рг + 90").

На выходах смесителей 8 и 20 образуются напряжения комбинационных частот.

Усилителями 9 и 12 выделяются напряжения промежуточной (разностной) частоты

Опр (t) = Опр, cos (2 л fnp t + Pk (t) + (/?пр):

Unp (t) = Unp cos(2Xfnpt+pc(t)+Pnp — 90 ), де Опр, = 1/2 k1 Чс Чг, 0 < t < Tc, kt — коэффициент передачи смесителей;, fnp = fc — fr — промежуточная частота; рпр = <рс — ф- — промежуточная начальная фаза.

Напряжение Unp (t) с выхода усилителя

12 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 13 на 90О, на выходе которого образуется напряжение

Unp>(t) = Опр, COS (2 _#_ fnp t + pk {!) +

+фпр 90 +90 )= Unp cos (22zfnp t+

+ p, (t) + фпр), 0 < 1 4 Тс

Напряжения Unp<(t) и Unp>(t) поступают на два входа сумматора 14, на выходе которого. образуется напряжение

U,= U, cos (2 лf,ð+ p,(t)+

+ pnp) 0 < t

Напряжение V (t) с выхода сумматора

14 поступает на второй вход перемножителя

15, на выходе которого образуется напряжение

О1(t) = Ч1 cos {2 л frt+ ср)+

+ Vr cos (2 x(2 1с — 1г) t+

+2дф)+2фс- Pr), 0 < t < tc, .

ГдЕ U1= — kZ Uc U

kz — коэффициент передачи перемножителя.

Частота настройки fH узкополосного фильтра 16 выбирается равной частоте fr гетеродина 21 (fe = fr). Поэтому в полосу пропускания узкополосного фильтра 16 попадает гармоническое напряжение

Ог (т) = U t соз{2л t+p),, О,< т < г,;, которое после детектирования в амплитудном детекторе 17 поступает нэ управляющий вход ключа 18 и открывает его. Ключ 18 в исходном состоянии всегда закры1. При этом напряжение с выхода суммэгора 14 через открытый ключ 18 поступэе нэ два входа перемножителя 10 и на я ей,у Г>рэгга

3, где происходит преобразов-. ние сигнала в акустическое колебание.

1721534

Пучок света от лазера 1, сколлимированный коллиматооом 2, проходит через ячейку Брэгга 3 (3.1 — 3,3)» дифрагирует на акустических колебаниях, возбужденных сигналом. При этом дифрагирует только 5 примерно десятая часть пучка источника излучения. На пути распространениядифрагируемой части пучка света устанавливают линзы 4 (4.1 — 4.3). В фокальных плоскостях указанных линз, формирующих пространст- 10 венный спектр принимаемого сигнала, установлены матрицы фотодетекторов 5 (5.1-5.3). Причем каждому разрешающему элементу анализируемого частотного диапазона соответствует свой фотодетектор. 15

Ячейка Брэгга 3 (3.1 — 3,3) состоит из звукопровода и возбуждающей гиперзвук пьезоэлектрической пластины, выполненной из кристалла ниобата лития соответственно Х и Y -35 среза. Это обеспечивает автомати- 20 ческую подстройку по углу Брэгга и работу ячейки в широком диапазоне частот. В качестве блоков 6 индикации (6.1 — 6.3) могут быть использованы осциллографические индикаторы. 25

Если на вход анализатора спектра поступает сложный сигнал с однократной

ОФМн p(t) = 0, 7г, то после преобразования по частоте и суммирования через открытый ключ 18 он поступает на ячейку Брэгга 3 и 30 на два входа перемножителя 10, на выходе которого образуется гармоническое напря- . жение

U3 (t) = U3 сов (4 л 1пр т +

+ 2 pap), 0< t< t c, 35 где Оз = 1/2 kz 0>.

TGK KGK 2 р< (t) = 0,2 x, TQ 9 указанном напряжении фазовая минипуляция уже отсутствует. Напряжение Ua(t) выделяется полосовым фильтром 11 и поступает на ячейку 40

Брэгга 3 и на два входа перемножителя 10, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

04(t) = Uqcos(8л f p t+

+49Ър) О< 1< rc

45 где 0<=1/2 kq 0

Это напряжение выделяется полосовым фильтром 11 и поступает на ячейку Брэгга 3 и на два входа перемножителя 10, на выходе которого образуется гармоническое 50 напряжение

05 (т) = 05 соэ (16 л тпр т +

+8уЪр), O< t

Ширина спектра Ь fc ФМн-2 сигнала определяется длительностью элементарных посылок (Afc = 1/т 1). Тогда как ширина спектра

1 второй Л fc, четвертой Л f4 и восьмой Л fe гармоник определяется длительностью Тс сигнала (Ь fz = Л f4 = Л fe = 1/Т,). Следовательно, при умножении фазы на два, четыре и восемь спектр ФМн-2 сигнала сворачиваМ hf, Af ется a N раз (= = — - — N) и транс2 А4 в формируется в одиночные спектральные составляющие. Это обстоятельство и является признаком распознавания ФМн-2 сигнала. Спектры принимаемого ФМн-2 сигнала и его гармоник (фиг. 2) визуально наблюдаются на экранах индикаторов 6(6.1, 6.2 и 6.3) соответственно, Если на вход анализатора спектра поступает ФМн-4 сигнал, (p< (t) = О, л/2, х, 3/2 л), то на выходе полосового фильтра 11 образуется Ф Мн-2 сигнал (р, (t) = О, л, 2 к, 3 т), а на выходе паласовых фильтров 11.2 и 1 I,3 образуются соответствующие гармонические напряжения U4 (t) и 0 (t). В этом случае на экране индикаторов 6 и 6;1 наблюдаются спектры ФМн-4 и ФМн-2 сигналов, а на экранах индикаторов 6.2 и 6.3 наблюдаются одиночные спектральные составляющие (фиг, 2б).

Если на вход устройства поступает

ФМн-8 сигнал (rp<(t) = О,л/4,л/2, 3/4л), то на выходах полосовых фильтров 11 1 и 11,2 образуются ФМн-4 и ФМн-2 сигналы, а на выходе полосового фильтра 11.3 образуется гармоническое напряжение Us (t). В этом случае на экранах индикаторов 6, 6.1, 6.2 и

6,3 наблюдаются спектры ФМн-8, ФМн-4 и

ФМн-2 сигналов, а на экране индикатора 6.3 наблюдается одиночная спектральная составляющая (фиг, 2в).

Если на вход устройства поступает

ЧМн-2 сигнал, то на выходе полосового фильтра 11,3 образуется частотно-манипулированный сигнал с индексом девиации частоты h = 1. При этом его спектр трансформируется в две спектральные составляющие на частотах 4 fc и 4 fr. А на выходе полосового фильтра 11.3 образуются две спектральные составляющие на частотах 8 fg и 8 f2 (фиг, 2г), Если на .вход устройства поступает

ЧМн-3 сигнал, то на выходах полосовых фильтров 11.2 и 11.3 образуются три спектральные составляющие на частотах 4 f>, 4 fcp, 4 fc и 8f>, 8 fc, 8 fã, 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 и 6.1 визуально будут наблюдаться сплошные спектры.

1721534

Если на вход устройства поступает

ЧМН-5 сигнал, то на выходе перемножителя

10.3 его сплошной спектр трансформируется в пять спектральных лепестков с пиковыми значениями на частотах 8 f>. 8 1э, 8 fcp, 8 f4 5 и 8 fg. На выходах перемножителей 10.1 и

10,2 сплошной спектр ЧМнН-5 сигнала трансформируется в сплошные спектры, так как в этих случаях h < 1. Таким образом, на экранах индикаторов 6, 6.1 и 6,2 будут на- 10 блюдаться, сплошные спектры: а на экране индикатора 6.3 — пять спектральных лепестков (фиг. 2е), Если на вход устройства поступает сиг- 15 нал с линейной частотной модуляцией (ЛЧ M)

Uc (t) = Uc cos (2 к fc т+ л p t +

+Pc) 0< t< ãc, h. f2 20 где 12 = — д — скорость изменения частоты

Tñ внутри импульса;

Л 1д — девиация частоты, то после преобразования по частоте и суммирования на выходе сумматора 14 образу- 25 ется напряжение

Ug)(t) = U+7cos (2 л 1» t+ xy t +

+ pnp), 0 < т < т,, которое поступает на ячейку Брэгга 3 и на два входа перемножителя 10.1, на выходе которого образуется ЛЧМ-сигнал

06(t) = U6 cos (4 лfnp t+

+ 2 тг y t + 2 ър), 0 < т < тс, который выделяется полосовым фильтром

11,1 и поступает на ячейку Брэгга 3.1. Так как длительность Тс ЛЧМ-сигнала на основной и удвоенной промежуточной частотах одинакова, то увеличение в два раза происходит за счет увеличения в два раза девиации частоты Л fä, Из этого следует, что ширина спектра ЛЧМ-сигнала на удвоенной промежуточной частоте в два раза больше его ширины на основной промежуточной частоте (Л 12 = 2 h, fc).

Аналогично на выходах перемножителей ширина спектра ЛЧМ-сигнала увеличивается в 4 и 8 раз. Следовательно; на экране индикатора 6 визуально наблюдается спектр ЛЧМ-сигнала, а на экранах индикаторов 6.1-6.3 наблюдаются спектры сигналов, ширина которых в 2, 4 и 8 раз больше ширины спектра исходного ЛЧМ-сигнала (фиг. 2ж). Это обстоятельство.и является признаком распознавания ЛЧМ-сигнала.

Если ложный сигнал (помеха) принимается по зеркальному каналу на частоте са, то усилителями 9 и 12 промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:

Unpre(t) = Unp+co$ (2 xfnp t — у"пр);

Опр 5® — Опр со$ (2 л fnp т

p,р, + 90О), 0 < т «< z;, где Опр = 1/2 k2 Vn Vr;

fnp.= — fn+ fr — промежуточная частота; напр = Ъ вЂ” p- — и ромежуточная начальная фаза;

Vn, fn, pn — амплитуда, частота и начальная фаза напряжения помехи.

Напряжения Unp4(t) и Опр,(t), поступающие на два входа сумматора 14, на его выходе компенсируются. Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по зеркальному каналу на частоте 1з, подавляется.

Если ложный сигнал (помеха) принимается по первому комбинационному каналу на частоте fk1 (фиг. 5), то усилителями 9 и 12 промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:

Опр (t) = Опр„со$(2 K fnp (t) — у /пр,):

Unp<(t) = Опр cos(2 2Г тпр (t) — пр, + 90 ), ГДЕ fnp = 2 fr — fkl — ПРОМЕжУтОЧНаЯ ЧаСтОта.

Напряжение Опр (с) с выхода усилителя

12 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 13 на 90, на выходе которого образуется напряжение

Опр (t) = Опр2 со$ (2 л fnp t — фпр,4

+ 90 + 90 ) = — О пр со$ (2 _#_ напр t—

-p,р,), 0< с < т,.

Напряжения Unp, (t) и Unp„(t), поступаю-. щие на два входа сумматора 14, на его выходе компенсируются. Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому комбинационному каналу на частоте Nk, подавляется, Если ложный сигнал (помеха) принимается по второму комбинационному каналу на частоте в, то усилителями 9 и 12 промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:

Опр „,() = Опр,соэ (2 > fnp t + ppp );

Опр (t) = Опр,со$ (2 x fnp +

+ рр, — 90 ), 0 «< тс, где fnp = fk — 2 fr — промежуточная частота.

Напряжение Unp„(t) с выхода усилителя

12 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 13 на 90, на выходе которого образуется напряжение

Unp (т) = Опр, cos (2 л fnp t + pnp,—

90 +90 )=Опр со$(2л1пр1+

+ пр), 0 < т < гс.

Напряжения Опр „(t) и Unp, () поступают на два входа сумматора 14, на выходе которого образуется напряжение

U (t) = 0 cos (2 к f,p t+ р,р,), 0< t< r,, где О, = 2 Unp2

Это напряжение поступает на второй вход перемножителя 15, на первый вход поступает принимаемый сигнал (помеха), На

1721534 выходе перемножителя 15 образуется напряжение

06 (с) = Ue cos (4 л б t + p) +

+ 06 cos (2 m(fkt — 2 1г) +

+2р — срг),0< t<г, 5 где Чб = 1/2 k2 Vn Ч, которое не попадает в полосу пропускания узкополосного фильтра 16, Ключ 18 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму комбинационному 10 каналу на частоте ак1, подавляется.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает повышение помехоустойчивости и избирательности. Это достигается подавлением ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным (зеркальному и комбинационному) каналам.

Формула изобретения

Акустооптический анализатор спектра, содержащий первый смеситель, одним входом подключенный к приемной антенне, другим — к выходу гетеродина, а выходом— к входу первого усилителя промежуточной частоты, три перемножителя, три полосовых 25 фильтра; а также установленные последовательно вдоль одной оптической оси лазер, коллиматор и четыре ячейки Брэгга, каждая из которых по ходу продифрагировавшего в ней луча через соответствующую линзу on- 0 тически связана с соответствующей матрицей фотодетекторов, установленной в. фокальной плоскости этой линзы и выходом подключенной к соответствующему индикатору, при этом выход первого перемножите- З5 ля через первый полосовой фильтр подключен к выходам второго перемножителя и пьезоэлектрическому преобразователю второй ячейки Брэгге, выход второго перемножителя через второй полосовой фильтр — к входам третьего перемножителя и пьезоэлектрическому преобразователю третьей ячейки Брэгга, а выход третьего перемножителя через третий полосовой фильтр — к пьезоэлектрическому преобразователю четвертой ячейки Брэгга, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости и избирательности, в него введены второй смеситель, второй усилитель промежуточной частоты, два фазов-. ращателя на 90О, сумматор, четвертый перемножитель, узкополосный фильтр, амплитудный детектор и ключ, при этом первые входы второго смесителя и четвертого перемножителя подключены к приемной антен; не, второй вход второго смесителя через первый фазовращатель на 90 соединен с, вторым выходом гетеродина, а выход через последовательно соединенные второй усилитель промежуточной частоты и второй фа.зовращатель на 90 — с вторым входом сумматора, первый вход которого подключен к выходу первого усилителя промежуточной частоты, а выход — к второму входу четвертого перемножителя и первому входу ключа, выход которого соединен с входами первого перемножителя и пьезоэлектрическим преобразователем первой ячейки

Брэгга, а второй вход через последовательно соединенные узкополосный фильтр и амплитудный детектор — с выходом четвертого перемножителя.

Х2

1721534

Редактор Л.Гратилло

Заказ 950 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета Ilo изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул Гагарина, 101

2у ур i7

II

Составитель И. Коновалов

Техред М.Моргентал Корректор Н.Король