Акустооптический анализатор спектра

 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для визуального анализа спектра сложных сигналов и определения вида их модуляции. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем визуального определения вида частотной модуляции принимаемого сложного сигнала. Анализатор спектра содержит лазер 1, коллиматор 2, ячейки Брэгга 3,1-3.4, линзы 4.1-4.4, матрицы фотодетекторов 5.1-5.4, блоки индикации 6.1- 6.4, антенну 7, преобразователь частоты 8. усилитель промежуточной частоты 9, перемножители 10.1-10.3 и полосовые фильтры 11.1-11.3. Для достижения цели в него введены ячейка Брэгга 3.5. линза 4.5, матрица фотодетекторов 5.5, блок индикации 6.5, а также выключатель 12. диафрагмы 13, 14 и оптический клин 15. 4 ил,

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з 6 01 R 23/17

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1626182 (21) 4839591/21 (22) 13.06.90 (46) 23.03,92. Бюл. М 11 . (72) В,И,Дикарев, Б.В.Койнаш и С.Г.Смоленцев (53) 621.317 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР, f4 1626182, кл. G 01 Я 23/17, 24.01.89. (54) АКУСТООПТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР

СПЕКТРА (57) Изобретение относится к радиоиэмерительной технике и предназначено для визуального анализа спектра сложных сигналов и определения вида их модуляции. Цель изоÄÄ5U ÄÄ 1721535 А2

2 бретения — расширение функциональных воэможностей путем визуального определения вида частотной модуляции принимаемого сложного сигнала. Анализатор спектра содержит лазер 1, коллиматор 2, ячейки

Брэгга 3.1 — 3.4, линзы 4.1-4,4, матрицы фотодетекторов 5.1 — 5.4, блоки индикации 6.16,4, антенну 7, преобразователь частоты 8.. усилитель промежуточной частоты 9, перемножители 10.1 — 10.3 и полосовые фильтры

11.1 — 11.3. Для достижения цели в него введены ячейка Брзгга 3.5, линза 4.5, матрица фотодетекторов 5.5, блок индикации 6.5, а также выключатель 12, диафрагмы 13, 14 и оптический клин 15. 4 ил, Изобретение относится к радиоизмери- Акустооптический анализатор спектра тельной технике, может использоваться для содержит лазер 1, на пути распространения визуального анализа спектра исследуемых пучка света которого установлены коллимасложных сигналов и определения вида их тор 2 и пять ячеек Брэгга 3.1 — 3.5. На пути модуляции и является усовершенствовани- 5 распространения дифрагированного пучка ем известного устройства по авт. св. светакаждойячейки БрэггаустановленасоМ 1626182, ответствующая линза 4,1-4.5, в фокальной

Известен акустооптический анализатор . плоскости которой размещается соответстспектра, обеспечивающий визуальный ана- вующая матрица фотодетекторов 5.1 — 5.5, лиз спектра и вида модуляции принимаемо- 10 выход которой соединен с соответствуюго сигнала. щим блоком индикации 6.1-65, К выходу

При этом, если на вход устройства по- приемкой антенны 7 последовательно подступает сложный сигнал с частотной моду- ключены преобразователь 8 частоты, усилиляцией, то его ширина спектра на выходах тель 9 промежуточной частоты, перемножителей увеличивается в 2, 4 и 8 15 перемножитель 10.1, полосовый фильтр раз соответственно. Визуально наблюдая 11.1, перемножитель 10.2 и полосовый спектр IM-сигнала и era гармоник на акра- фильтр 11.3, Пьезоэлектрические преобранах осциллографических индикаторов по зователи ячеек Брэгга 3.1 — 3.4 соединены соуказанному изменению ширины спектра, ответственно с выходами усилителя 9 принимается решение о распознавании 20 промежуточнойчастоты и полосовыхфильтсложного ЧМ-сигнала. Среди указанных ров 11.1 — 11.3. Пьезоэлектрический преоб-, сигналов наибольшее распространение на- разователь ячейки Брэгга 3.5 через шли сигналы с линейной частотной модуля- выключатель 12 соединен с выходом усилицией (Л (M), с симметричной линейной теля9промежуточнойчастоты. Междуячей.частотной модуляцией (СЛЧМ) и с квадра- 25 кой Брэгга 3.5 и линзой 4.5 установлена тичной частотной модуляцией (КЧМ). диафрагма 13. Между линзой 4.5 и матрицей

Однако известное устройство не абес- фотодетекторов 5.5установлена диафрагма печивает возможности для определения ви- 14. В фокальной плоскости линзы 4,5, кроме да частотной модуляции принимаемого матрицы фотодетекторов 5.5, установлен сложного сигнала, 30 оптический клин 15. Каждая ячейка Брэгга

Целью изобретения является расшире- состоит из звукопровода и возбуждающей ние функциональных возможностей путем, гиперзвук пьезоэлектрической пластины, визуального определения вида частотной выполненной из кристалла ниобата лития, модуляции принимаемого сложного сигна- соответственно Х и Y — 35О среза, Это обесла. 35 печивает автоматическую подстройку по угПоставленнаяцельдостигаетсятем,что лу Брэгга и работу ячейки в широком в устройство введены пятая ячейка Брэгга, диапазоне частог. В качестве блоков индипятые линза, матрица фотодетекторов и кации 6.1-6.5 могут быть использованы осблок индикации, две диафрагмы и оптиче- циллографические индикаторы. ский клин, причем на пути распространения 40 Акустооптический анализатор спектра пучка света от лазера установлена пятая работаетследующим образом. ячейка Брэгга, пьезоэлектрический преоб- Сигнал, принятый антенной 7, поступаразователь, который через выключатель со- ет на вход преобразователя 8 частоты, соединен с выходом усилителя промежу- стоящего из смесителя и гетеродина. точной частоты, на пути распространения 45 Преобразованный по частоте сигнал выдедифрагмируемой части пучка света последо- . ляется усилителем 9 промежуточной частовательно установлены первая диафрагма, ты и поступает на ячейку Брэгга 3.1; где пятая линза и вторая диафрагма, в фокаль- происходит преобразование сигнала в аку, ной плоскости пятой линзы размещены an- стическое колебание, Пучок света от лазера. тический клин и пятая матрица 50 1, коллимированный коллиматором 2, профотодетекторов, выход которой соединен с . ходит через ячейки Брэгга 3.1-3.5 и дифрапятым блоком индикации. гирует на акустических колебаниях, На фиг. 1 дана структурная схема пред- возбужденных сигналом. На пути распростлагаемого анализатора спектра; на фиг. 2 — ранения дифра,гируемой1 части пучка света осциллограммы на экранах блоков индика- 55 установлены линзы 4.1-4.5. В фокальных ции; на фиг. 3 — взаимное расположение плоскостях указанных линз, формирующих символьных частот сигналов с многократ- пространственный спектр принимаемого ной частотной манипуляцией; на фиг. 4 — сигнала, установлены матрицы фотодетекзакон изменения фазы частотно-манипули- торов 5.1 — 5,5. Каждому разрешаемому элерованного сигнала. менту анализируемого частотного

1721535 диапазона соответствует свой фотодетектор. Выключатель 12 в исходном состоянии всегда находится в разомкнутом состоянии. . Если на вход анализатора спектра поступает сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн), то его можно аналитически записать следующим образом:

0 (t) = Uc cos (2 л fc t+

+y (с)+р.), О<МТ., где Ос, 1„ рс, Тс- амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала,;

y (t) — манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции, причем р< (t) = const npu k r> < t <

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

t = k г, т,е. на границах между элементарными посылками (k = 1,2,..., N — 1);

r>, N — длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Tc (Tc = N Tn).

Если на одной несущей частоте дискретная информация передается от одного источника сообщения, то целесообразно использовать однократную (бинарную) фазовую манипуляцию (ФМн-2, pс {t) = О, л), Для передачи сообщений от двух источников используется двухкратная фэзовая манипуляция (ФМн-4, y (t) = О; 2, л — л). .Л..3

Причем от одного источника фаза манипулируется по закону О, л. а от другого — по закону —, — л; Для передачи сообщений от л 3

2 2 трех источников используется трехкратная фазовая манипуляция (ФМн — 8, p g(t) = О; —;

Ж

_#_3 5 3 7 —; — и; и; — л; — л; — к).

2 4 4 2 4

В общем случае на одной несущей частоте одновременно можно передавать сообщения от и источников, используя для этого и-кратную фаэовую манипуляцию. Однако целесообразными являются одна-, двух- и трехкратная фазовые манипуляции, которые нашли широкое применение на практике. Дальнейшее повышение кратности фазовой манипуляции ограничивается тем, что уменьшается расстояние между элементарными сигналами и в существенной мере снижается помехоустойчивость канала свя. зи.

Принимаемый ФМн — 2 сигнал с выхода антенны 7 поступает на вход преобразователя 8 частоты, на выходе которого образуется напряжение

Unp (с) = Unp cos(2 л 1пр с +

+ pc (t) + Ър), 0 < с (Тс, гдеОяр= — КUc U,,p,(с)=О, ;

К - коэффициент передачи смесителя: фпр =Q — p- — промежуточная начальная фаза;

Ог, fr, p. — амплитуда, частота и нэчаль5 ная фаза напряжения гетеродина, Это напряжение выделяется усилителем 9 промежуточной частоты и поступает на ячейку Брэгга 3,1 (на ее пьезоэлектрический преобразователь) и на два входа пе10 ремножителя 10.1, на выходе которого .образуется гармоническое напряжение

U1(с) = U) cos (4 fnp с+ 2 р), О < t < Т, где U t = К1 О р, К1 — коэффициент передачи перемножи15 теля.

Так как 2 р< (t) = 0,2 к, то в указанном напряжении фазовая манипуляция уже от. сутствует. Напряжение Uj(t) выделяется полосовым фильтром 11.1 и поступает нэ

20 ячейку Брэгга 3.2 и на два входа перемножителя 10.2, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

Ог (t) = Ос cos (8 7E fop с +

+4фпр), 0 < с4 Тс, 25 1 где Ог = — К1 О .

2.

Это напряжение выделяется полосовым фильтром 11.2 и поступает на ячейку Брэггера 3.3 и на два входа перемножителя

30 10.3, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

Оз (t) = Оз сов (16 x fop . +

+ 8 рпр), О < t < Tc, 1 где Оз= К10г

Это напряжение выделяется паласовым фильтром 11.3 и поступает на ячейку Брэгга

3.4.

Ширина спектра ФМн — 2 сигнала Ь fc

40 определяется длительностью rn элементар- ных посылок {Ь fc = 1/т,). Тогда как ширина спектра второй Жг, четвертой Ю4 и восьмой

Ь fs гармоник определяется длительностью

Т, сигнала {Лfz = 4 f4 = Лfa = 1/Tc). Следовательно, при умножении фазы на два, четыре и восемь спектр ФМн — 2 сигнала сворачивается в N раз (hfc/Лfг — — =- N) и трансформируется в одинаковые спектральные составляющие. Это обстоятельс гво и является признаком распознавания

ФМн — 2 сигнала. Спектры принимаемого

ФМн — 2 и его гармоник визуально наблюдаются на экранах индикаторов 6.1-6.4 соответственно (фиг, 2a).

Если на вход анализатора спектра поступает ФМн — 4 сигнал

1721 535

Ь () = o — >> -<<) л 3 то на выходе полосового фильтра 11.1 образуется ФМн — 2 сигнал (p<(т) =.0; л; 2л; Зл), а на выходах полосовых фильтров 11.2 и 11.3 образуются соответствующие гармонические напряжения 02(t) и Оз(t).

В этом случае на экранах индикаторов

6,1 и 6.2 наблюдаются спектры ФМн-4 и

ФМн — 2 сигналов, а на экранах индикаторов

6.3 и 6.4 наблюдаются одиночные спектральные составляющие (фиг. 2б).

Если на вход устройства поступает

Ф М н-.8 сигнал

xë3 - 5 3 7 (р (т)=0; 4,2 4 4 2 4 ) то на выходах ".îëoñîâûõ фильтров 11.2 и

11.3 образуются ФМн — 4 и ФМн-2 сигналы, а на выходе полосового фильтра 11.1 образуется гармоническое напряжение Оз (t), в этом случае на экранах индикаторов 6.1 — 6.3 наблюдаются спектры ФМн-8, ФМн-4 и

ФМн-2 сигналов,, а на экране индикатора

6.4 наблюдается одиночная спектральная составляющая (фиг. 2в).

Среди сложных сигналов с частотной манипуляцией (ЧМн) широкое распространение получили сигналы с минимальной частотной манипуляцией (Ч M н-2), с дуобинарной манипуляцией (ЧМн-3) и со скругленной частотной манипуляцией (фиг.

3), Если на вход устройства поступает

ЧМн-2 сигнал (фиг. За)

Uc (t) = Uc amos(2 X fcp +

+ ф(т) + р), 0 < t < Т, f + f2 где fcp = ср — средняя частота сигнала (фиг. 3);

f1 = fcp

4tn — символьные частоты

1 т2 = тср

4тп р(1} =2zrh I ., . byq(t — д,} drфазовая функция (фиг, 4);

h =0,5 — индекс девиации частоты;

Ь вЂ” последовательность информационных символов (-1, +1); (1!2 rn при t((О, тп); ч (t) == при tg(0, tn), то на выходе полосового фильтра 11.1 образуется частотно-манипулированный сигнал с индексом девиации частоты h =1. При этом его спектр трансформируется в две спектральные составляющие на частотах 2fi и 2fz.

На выходе полосового фильтра 11.2 образуются две спектральные составляющие на частотах 411 и 4fz, а на выходе полосового

5 филь1ра 11.3 образуются две спектральные составляющие на частотах 811 и Gfz (фиг. 2г).

Если на вход устройства поступает

ЧМн-3 сигнал (фиг. Зб), то на выходе полосових фильтров 11,2 и 11.3 образуются три

10 спектральные составляющие на частотах

411, 4<ср 4fz. и 811, 8тср, 8fz, т.е: сплошной спектр трансформируется в три спектральные составляющие (фиг. 2д). На выходе перемножителя 10,1 спектр ЧМн-3

15 трансформируется в другой сплошной спектр, поскольку h < 1. Таким образом, на экранах индикаторов 6.1 и 6.2 визуально будут наблюдаться сплошные спектры (фиг,2д).

20 Если на вход устройства поступает

ЧМн-5 сигна; (фиг. Зв), то на выходе перемножителя 10.3 его сплошной спектр пере.трансформируется в пять спектральных лепестков с пиковыми значениями на часто25 тах 8f1 Оз, Sfcp 8f4, Bfz.

На выходах перемножителей 10.1 и 10.2 сплошной спектр ЧМн — 5 сигнала трансформируется B сплошные спектры, так как в этих случаях h < 1. Таким образом, на экранах

30 индикаторов 6.1-6.3 будут наблюдаться сплошные спектры, а на экране индикатора

6.4 — пять спектральных лепестков (фиг. 2е).

Именно такая ситуация является признаком

ЧМн — 5 сигнала.

35 Если на вход устройства поступает сигнал с частотной модуляцией (ЧМ)

Uc(t) = Uc cos (2 л1с+кут +

+ р), 0

40 частота, длительность и начальная фаза сигнала;

Afц — — скорость изменения частоты

Тс внутри импульса;

Л fg — девиация частоты;

j — 1,2,3„... то преобразователем 8 частоты он переносится на промежуточную частоту

Опр (т) = Unp сов (2 л fnp t +

+ my t + р.р), 0 e t < T .

Напряжение Unp(t) выделяется усилителем 9 промежуточной частоты и поступает на ячейку Брэгга 3.1 и на два Входа перемножителя 10.1, на выходе которого образу55 ется ЧМ-сигнал .U1 (t) = 01 cos (4 Ю fnp +

+ 2>1 т + 2 упр), 0< 4 < "с который выделяется полосовым фильтром

11.1 и поступает на ячейку Брэгга 3 1. Так

1721535

10 как длительность Тс ЧМ-сигнала на основной и удвоенной промежуточной, частоте одинакова, то увеличение у в 2 раза происходит за счет увеличения в 2 раза девиации частоты A fg. Из этого следует, что ширина спектра ЧМ-сигнала на удвоенной промежуточной частоте в 2 раза больше его ширины спектра на основной промежуточной частоте (Л 12 = 2 Л fc). Аналогично на выходах перемножителей 10.2 и 10.3 ширина спектра IM-сигнала увеличивается в 4 и 8 раз. Следовательно, на экране индикатора

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

Для распознавания вида частотной модуляции оператором включается ключ 12, При этом напряжение Unp (t) с выхода усилителя 9 промежуточной частоты поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 3.5. На пути распространения . дифрагированного пучка света последовательно установлены диафрагма 13, линзы

4,5 и 14, в фокальной плоскости линзы 4,5 размещены оптический клин 15 и матрица фотодетекторов 5.5. Оптический клин 15 представляет собой маску, имеющую вид прозрачного равнобедренного треугольника на непрозрачном фоне. Прозрачность оптичес кого клина 15 изменяется по линейному закону вдоль оси ОХ, расположенной перпендикулярно дифрагированному пучку света, За счет диафрагм I3 и 14 размер апертуры. выбран так, чтобы максимально локализовать в пространстве мгновенный спектр анализируемого сигнала.

Распределение интенсивности света в плоскости пространственных частот в области первого дифракционного максимума в одномерном случае описывается функцией вида

sin2(L(K< ))

К2 Х

jL(Kt — — ))

К2 Х

= sIn c (L (K< ))*

К2 Х

F где L — апертура;

2л

K> = -- — — волновое число акустической волны;

A- длина акустической волны;

2л

lb -. -- волновое число световой волны;

А- длина световой волны;

F — фокусное расстоя ние.

Указанная функция имеет ярко выраженный максимум (что свидетельствует о

5 локализации мгновенного спектра), положение которого однозначно связано с частотой акустического колебания

Хтах = — Й пр

К2 >

10 где и- скорость распространения акустической волны в звукопроводе, т.е. по положению максимума интенсивности света в первом дифракционном порядке можно судить о частоте колебаний, возбуж15 дающих модулятор. С помощью оптического клина 15 осуществляется преобразование координаты максимума светового распределения в величину выходного тока фотоприемника 5.5. При анализе ЧМ-сигнала ток

20 фотоприемника, как функция времени, соответствует закону изменения частоты в анализируемом сигнале.

Если на вход устройства поступает сигн ал с Л Ч М (l = 2)

Uc (t) = Uc cos (2 л 1с t +

+ X g t + Pc), 0 < Е < Тс то преобразователем 8 частоты он переносится на промежуточную частоту

U

30 +ave+ ),0

Напряжение U p(t) выделяется усилите лем 9 промежуточной частоты и поступает на ячейку Брэгга 3.5, где происходит преобразование сигнала в акустическое колебание. При этом ячейка Брэгга 3.5, диафрагмы

13 и 14, линза 4.5, оптический клин 15 и фотоприемник 5.5 образуют акустооптический демодулятор ЧМ-сигналов. На экране индикатора 6.5 в этом случае образуется изображение, пропорциональное закону

ЛЧМ (фиг. 2з).

Если на вход устройства поступает сигнал с СЛЧМ

Uc (1) = Uc cos (2 ктс.с +

45 +ту ltl t+p,), 0 < t < T,, то нэ экране индикатора 6.5 образуется изображение, пропорциональное закону СЛЧМ (фиг. 2и, к).

Если на вход устройства поступает сигналс КЧМЦ=З)

Uc (t) = Uc cos (2 л fc t+

+ л У х3+ pc), 0 < t < Тс, то на экране индикатора 6.5 образуется изображение, пропорциональное закону КЧМ

55 (фиг,2л), Таким образом, предлагаемый анализатор спектра, по сравнению с прототипом, обеспечивает распознавание вида ЧМ принимаемого сигнала. Тем самым функцио1721535

12 нал ьн ые возможности акустооптического анализатора спектра расширены.

Формула изобретения

Акустооптический анализатор спектра по авт. св. М 1626182, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем визуального определения вида частотной модуляции принимаемого сложного сигнала, в него введены пятые ячейка Брэгге, линза, матрица фотодетекторов и блок индикации, две диафрагмы и оптический клин, причем пя3 тая ячейка Брзгга установлена нэ пути распространения пучка света от лазера, ее пьезоэлектрический преобразователь через выключатель соединен с выходом усилителя

5 промежуточной частоты, на пути распространения дифрагируемой ею части пучка света последовательно установлены первая диафрагма, пятая линза и вторая диафрагма, в фокальной плоскости пятой линзы раз10 мещены оптический клин и пятая матрица фотодетекторов, выход которой соединен с пятым блоком индикации.

ЫИ1Й ЙИю

1721535

ФМн -2 а.

ФМн-8

ЧМн -2

8SB е.

И» @ц

-- B B

9

1721535

Составитель Л.Устинова

Техред М.Моргентал Корректор Н.Король

Редактор Л.Гратилло

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

Заказ 950 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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