Акустооптический анализатор спектра
Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для визуального и автоматического анализа спектра сложных сигналов и определения вида их модуляции. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем автоматического измерения и регистрации 7 амплитуды и фазы спектральных составляющих принимаемого сложного сигнала. Анализатор спектра содержит лазер 1, коллиматор 2, ячейки Брэгга 3.1-3.4, линзы 4.1-4.4, матрицы 5.1-5.4 фотодетекторов, блоки 6.1-6.4 индикации, антенну 7, преобразователь 8 частоты, усилитель 9 промежуточной частоты, перемножители 10.1, 10.2, 10.3, полосовые фильтры 11.1, 11.2, 11.3. Для достижения цели в него введены ячейки Брэгга 3.5, 3.6, линзы 4.5, 4,6, 4.7, матрица 5.5 фотодетекторов, генератор 12 сигнала с линейной частотной модуляцией, дифракционная решетка 13, амплитудный детектор 14, цифровой фазометр 15, амплитудный аналого-цифровой преобразователь 16, опорный генератор 17, блок 18 регистрации и диафрагма 19. 4 ил. сл С
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (19) (11) (51)5 G 01 R 23/17
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР (q 1"!)9 2
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ с
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1626182 (21) 4835861/21 (22) 29.03.90 (46) 07.06.92. Бюл. 1Ф 21 (72) А.В.Воронин, B.È.Äèêàðåâ, А.В,Мардин, В.В.Мельник и А.А.Смирнов (53) 621.317(088. 8) (56) Авторское свидетельство СССР
М 1626182, кл. G 01 R 23/17, 24.01.89 (54) АКУСТООПТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР
СПЕКТРА (57) Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для визуального и автоматического анализа спектра сложных сигналов и определения вида их модуляции. Цель изобретения — расширение функциональных возможностей путем автоматического измерения и регистрации
7 амплитуды и фазы спектральных составляющих принимаемого сложного сигнала. Анализатор спектра содержит лазер 1, коллиматор 2, ячейки Брэгга 3,1 — 3.4, линзы
4.1 — 4.4, матрицы 5.1-5,4 фотодетекторов, блоки 6.1 — 6.4 индикации, антенну 7, преобразователь 8 частоты, усилитель 9 промежуточной частоты, перемножители 10.1, 10,2, 10,3, полосовые фильтры 11,1, 11.2, 11,3, Для достижения цели в него введены ячейки
Брэгга 3.5, 3,6, линзы 4.5, 4,6, 4.7, матрица
5.5 фотодетекторов, генератор 12 сигнала с линейной частотной модуляцией, дифракционная решетка 13, амплитудный детектор
14, цифровой фазометр 15, амплитудный аналого-цифровой преобразователь 16, опорный генератор 17, блок 18 регистрации и диафрагма 19. 4 ил.
1739311
Изобретение относится к радиоизмерительной технике, предназначено для визуального и автоматического анализа спектра сложных сигналов и определения вида их модуляции и является усовершенствованием изобретения по авт.св. М 1626182.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем автоматического измерения и регистрации амплитуды и фазы спектральных составляющих принимаемого сложного сигнала, На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого анализатора; на фиг,2— схема взаимного расположения символьных частот сигналов с многократной частотной манипуляцией; на фиг,3 — закон изменения фазы частотно-манипулированного сигнала; на фиг,4 — возможный вид осциллограмм на экранах блоков индикации.
Акустооптический анализатор спектра содержит лазер 1, коллиматор 2, первую— шестую ячейки 3.1 — 3,6 Брэгга, первую— седьмую линзы 4.1 — 4.7, первую — пятую матрицы 5.1 — 5,5 фотодетекторов, первый— четвертый блоки 6,1 — 6,4 индикации, приемную антенну 7, преобразователь 8 частоты, усилитель 9 промежуточной частоты, первый — третий перемножители 10,1 — 10,3, первый — третий полосовые фильтры 11.1 — 11,3, генератор 12 ЛЧМ-сигнала, дифракционную решетку 13, амплитудный детектор 14, цифровой фазометр 15, амплитудный аналого-цифровой преобразователь 16, опорный генератор 17 и блок 18 регистрации, диафрагмы 19. К выходу приемной антенны
7 последовательно подключены преобразователь 8 частоты, усилитель 9 промежуточной частоты, первый перемножитель 10,1, первый полосовой фильтр 11,1, второй перемножитель 10.2, второй полосовой фильтр 11.2, третий перемножитель 10.3 и третий полосовой фильтр 11.3. На пути распространения пучка света лазера 1 последовательно установлены коллиматор 2, ячейки
3.1 — 3,4 Брэгга, линза 4,5 и ячейка 3.5 Брэгга.
Пьезоэлектрические преобразователи ячеек 3,1 — 3.5 Брэгга соединены с выходами усилителя 9 промежуточной частоты, полосовых фильтров 11.1 — 11.3 и генератора 12
ЛЧМ-сигнала соответственно. На пути распространения дифрагируемой части пучка света ячейки 3,1 (3.2, 3,3, 3.4) установлена линза 4,1 (4,2, 4.3, 4.4), в фокальной плоскости которой размещена матрица 5,1 (5,2, 5.3, 5.4) фотодетекторов, к вь;ходу которой подключен блок 6.1 (6,2, 6.3, 6.4) индикации. На пути распространения дифрагируемой части пучка света последовательно установлены линза 4,6, дифракционная решетка 13 и
55 ячейка 3.6 Брэгга, пьезоэлектрический преобразователь которой соединен с выходом усилителя 9 промежуточной частоты. На пути распространения дифрагируемой части пучка света ячейки 3,6 Брэгга установлена линза 4.7, в фокальной плоскости которой последовательно установлены диафрагма
19 и матрица 5.5 фотодетекторов, к выходу которой последовательно подключены амплитудный детектор 14, амплитудный аналого-цифровой преобразователь 16 и блок 18 регистрации, второй вход которого через цифровой фазометр 15 соединен с выходами матрицы 5.5 фотодетекторов и опорного генератора 17.
Акустооптический анализатор спектра работает следующим образом.
Сложный сигнал, принятый антенной 7, поступает на вход преобразователя 8 частоты, состоящего из смесителя и гетеродина, Преобразованный по частоте сигнал выделяется усилителем 9 промежуточной частоты и поступает на ячейку 3 Брэгга, где происходит преобразование сигнала в акустическое колебание, Пучок света от лазера
1, сколлимированный коллиматором 2, проходит через ячейки 3.1 - 3.5 Брэгга и дифрагирует на акустических колебаниях, возбужденных ЛЧМ-сигналом и принимаемым сложным сигналом. На пути распространения дифрагируемой части пучка света устанавливаются линза 4,6, дифракционная решетка 13, ячейка 3,6 Брэгга и линзы 4.1—
4.7, В фокальных плоскостях указанных линз, формирующих пространственный спектр принимаемого сигнала, установленные матрицы 5.1 — 5.5 фотодетекторов, Каждому разрешаемому элементу анализируемого частотного диапазона соответствует свой фотодетектор. Ячейки 3,13.5 Брэгга состоят из звукопровода и возбуждающей гиперзвук пьезоэлектрической пластины, выполненной из кристалла ниобата лития соответственно X u Y -35 среза. Это обеспечивает автоматическую подстройку по углу Брэгга и работу ячейки в широком диапазоне частот, В качестве блоков 6,1-6,4 индикации могут быть использованы oc,èëëîãðàôè÷åñêèå индикаторы.
Если на вход анализатора спектра поступает сложный сигнал с бинарной фазовой манипуляцией (Ф М н — 2) Uc(t) = Uc Cos (2Л 1с t + (ф(1) + pc ) 0 <
Тс, где Uc, fc, Тс, pc — амплитуда, несущая частота, длительность и начальная фаза сигнала:
1739311
5 ческий преобразователь ячейки 3.4 Брэгга.
Ширина спектра ФМн — 2 сигнала Af определяется длительностью ти элементарных посылок (Ь fc = — ), тогда как ширина
1 и
10 спектра второй Жг, четвертой Лт4и восьмой
Жз гармоник определяется длительностью
Т, сигнала (Afz = Л f4 = Мв = ). Следова1
Тс тельно, при умножении фазы на два, четыре
"5 .и восемь спектр ФМн — 2 сигнала "сворачивается" в N раз
Л1, Ьf, Лf. (— — — N ) и трансформируется в одиночные спектральные составляющие. Это обстоятельство является признаком распознавания ФМн — 2-сигнала, Спектры принимаемого ФМн — 2 сигнала и его гармоник визуально наблюдаются на экранах индикаторов 6.1-6.4 соответственно
25 (фиг.4а), На пути распространения пучка света лазера 1 установлены линза 4.5 и ячейка 3.5
Брэгга, на пьезоэлектрический преобразователь которой подается сигнал с линейной частотой модуляцией ЛЧМ с выхода генератора 12:
p<(t) = Од — манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции, причем рк (t) = const при К ти < t <(K+1) t< и может изменяться скачком при t = К t, т.е.н а границах между элементарными посылками К = 1,2,...,N — 1;, N — длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью
Тс = ч и то он с выхода антенны 7 поступает на вход преобразователя 8 частоты, на выходе которого образуется напряжение
Unp(t) = Unp cos 12 xfnpt+ + (t) + фпр ), 0 1< Тс
1 где Unp = — 2 К0с0г, К вЂ” коэффициент передачи смесителя;
fnp = fc — fr — промежуточная частота; pnp= pc pr промежуточная начальная фаза;
Uã, f, p. — амплитуда, частота и начальная фаза напряжения гетеродина.
Это выражение выделяется усилителем
9 промежуточной частоты и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки 3,1 Б рэгга и на два входа перемножителя
10,1, на выходе которого образуется гармоническое напряжение
U1(t) = U1 ° cos(4Kfnp+2Pnp ),О< l —<
Тс.
ГдЕ 01= — K1Unp
1 г;
K1 — коэффициент передачи перемножителя.
Так как 2рк (t) = 0,2 л, то в указанном напряжении фазовая манипуляция уже отсутствует. Напряжение 01(t) выделяется полосовым фильтром 11.1 и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки 3.2 Брэгга и на два входа перемножителя
10.2, на выходе которого образуется гармоническое напряжение
Uz(t) = Uz cos (8 x fnpt+ 4 рпр ), О < с — < Тс, где Uz = = К101
1 г.
Это напряжение выделяется полосовым фильтром 11.2 и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки 3.3 Брэгга и на два входа перемножителя 10.3, на выходе которого образуется гармоническое напряжение
0з(() = U3 cos (16Х 1пр1 + 8 фп р ), Π— < Тс, 35
55 где 0з = — K1Uz .
1 г
Это напряжение выделяется полосовым фильтром 11.3 и поступает на пьезоэлектриUn(t) = Un cos (2X fnt + stan t + у, ), О hfn — скорость изменения частотл ты ЛЧМ-сигнала; Жл — девиация частоты. Генератор 12 ЛЧМ-сигнала запускается с приходом сложного сигнала напряжением с выхода усилителя 9 промежуточной частоты. На пути распространения дифрагируемой части пучка света ячейки 3.5 Брэгга устанавливаются линза 4.5, дифракционная решетка 13, ячейки 3.6 Брэгга и линза 4.7, При этом линза 4.6 формирует параллельный пучок света, который дифрагирует на дифракционной синусоидальной решетке 13. Далее пучок света проходит через ячейку 3,6 Брэгга, на пьезоэлектрический преобразователь которой подается напряжение Unp(t) с выхода усилителя 9 промежуточной частоты. Линза 4.7 осуществляется пространственное интегрирование напряжения Unp(t) и ЛЧМ-сигнала. 1739311 10 (л (т — V ) /зв У" 2Л Vae 45 — — ) 1 б Диаметр бп сфокусированного линзой 4.5 пучка выбирается из условия > Vae тмин где чзв — скорость звука в ячейке 3,5 Брэгга; fM H — минимальная частота ЛЧМ-сигнала. Это условие необходимо обеспечить для того, чтобы свет в ячейке 3.6 Брэгга дифрагировал в каждый момент выборки только на одной частотной составляющей. Пропускание дифракционной решетки 13 можно представить в виде tp = 1 + c0$ 2Лх/d, где d — шаг решетки; х — координата в плоскости решетки. Умножив амплитуду дифрагированного в ячейке 3.5 Брэгга света на коэффициент пропускания решетки и ограничиваясь рассмотрением только первого порядка дифрагирован ного в ячейке света, можно получить следующее выражение для амплитуды спектра ЛЧМ-сигнала в плоскости диафрагмы 19: h/2 F(Uë) = ) (1 + cos 2л — ) h/г d ехр (2 л р1х() dxl = sin С (fl зв — exP (2Л Л + ЛУл1 + ул ) (1 г 2 где f1 — апертура ячейки 3.5 6рэгга; 1 — пространственная частота в плоскости диафрагмы 19. Амплитуда спектра широкополосного радиоимпульса может быть представлена в виде х;= рс п 2 t(U„ f=Q 5 рр«, («- — ««р. е, У,— г «<„р)е«рС 4«; «;=, vе»р,(р- — « с 1-< « «в рй л, 1 с „,(t)+q „;), I где (с — пространственная апертура радиоимпульса; Vee — длина волны ультразвука fl для I-й частотной составляющей; и — количество частотных составляющих. В плоскости диафрагмы 19, которая выделяет только плюс первые порядки дифрагированных пучков, пучки будут интерферировать. Тогда с учетом приведен15 35 ных выражений, ограничиваясь рассмотрением только интерференционного члена, получим следующее выражение для полезной мощности излучения и Р= ) Р(0л)+Р(0пр) I dr К2 Ul sine(l=1 л с (- — )) со$ (2л fit+ л fl+л улt) Veet 1 t + у .напр — фл ) где Ul — амплитуда i-й частотной составляющей; Кг — коэффициент пропорциональности. Из этого выражения видно, что воспроизводится огибающая спектра сигнала на определенной частоте с учетом фазы каждой частотной составляющей, Выделяя с помощью амплитудного детектора 14 низкочастотную огибающую из полезной мощности, образующейся на выходе матрицы 5.5, и преобразовывая ее с помощью амплитудного аналого-цифрового преобразователя 16 в код, можно измерить и зафиксировать амплитуду 1-й частотной составляющей сложного сигнала, Для измерения фазы каждой частотной составляющей девиация частотыЛ fe ЛЧMгенератора 12 выбирается равной ширине спектра Ьс принимаемого сигнала (Л fe=Л fe), Тогда в каждый момент выборки частота спектральной составляющей сигнала соответствует частоте Л Ч М-сигнала, т.е. f(— (2_#_1л+ ЛУл t) О. Дл я определения фазы сигнала необходимо ввести несущую частоту, Выберем 1 -(2 л fe + лул t) = Л f Это можно обеспечить, если сдвинуть начальную частоту ЛЧМ-сигнала fe относительно промежуточной частоты fnð радиоимпульса. Для того, чтобы при этом условии совместить дифрагированные пучки по пространству, введена дифракционаня решетка 13, Параметры решетки можно выбирать из условия Sin С Л (с (y-- (— ) = S in С Л61 (r 1 1 лум Отсюда получим б = язв/Л f. Тогда с учетом изложенного выражение для полезной мощности можно преобразовать к виду и vçe 1 Р = Кг " О! $!и Сл(1 (— (— - - ) 1=1 со$ (2 л Л ft + p< (t) + р„р, -p, ). 1739311 Для измерения фазы 1-й частотной составляющей pi на цифровой фазометр 15 подаются сигнал опорной частоты от опорного генератора 17 и полезная мощность с выхода матрицы 5,5, Цифровой фазометр 15 5 обеспечивает измерение фазы l-й частотной составляющей за период частоты h f. Измеренные амплитуда и фаза каждой спектральной составляющей фиксируются блоком 18 регистрации. 10 Если на вход анализатора спектра поступает Ф Мн — 4 сигнал (Ъ (t ) = О, 2,, 2 x), л 3 то на выходе полосового фильтра 11.1 образуется ФМн — 2 сигнал 15 (рк(с) =О,л,2л, Зл), а на выходе полосовых фильтров 11.2 и 11,3 образуются соответствующие гармонические напряжения uz(t) и u (t). В этом случае на экранах индикаторов 6.1 и 6,2 наблюдаются спектры 20 ФМн — 4 ФМн — 2 сигналов, а на экранах индикаторов 6.3 и 6.4 — одиночные спектральные составляющие (фиг.4б). Если на вход анализатора поступает ФМн — 8 сигнал 25 4 2 4 4 2 4 л л 3 5 3 7 то на выходах полосовых фильтров 11.2 и 11.3 образуются ФМн — 4 и ФМн — 2 сигналы, а на выходе полосового фильтра 11.4 — гар- 30 моническое напряжение Ug(t). В этом случае на экранах индикаторов 6.1 — 6.3 наблюдаются спектры ФМн — 8, ФМн — 4 и ФМе — 2 сигналов, а на экране индикатора 6.4 — одиночная спектральная составляющая (фиг.4в). 35 Если на вход анализатора поступает ФМн — 2 сигнал 0с(1)=Ucсоз(2лfcpt+ р (с)+ pc), 0< т <Тс, 40 где ф1) — изменяющаяся во времени фазовая функция (фиг,З); f1 +1г fcp = 2 средняя частота сигнала (фиг.2); 1 1 f1 — 1ср, fZ fcp + СИМВОЛ Ь 4ти 4 ти ные частоты, то на выходе полосового фильтра 11.1 образуется частотно-манипулированный сигнал 50 с индексом девиации частоты h = 1. При этом его спектр тоансформируется в две спектральные составляющие на частотах 2f1 и 2fz, На выходе полосового фильтра 11,2 образуются две спектральные составляющие на 55 частотах 4f1 и 4fz, а на выходе полосового фильтра 11.3 — две спектральные составляющие на частотах 811 и 8fz (фиг.4г). Если на вход анализатора поступает ЧМн — 3 сигнал, то на выходе полосовых фильтров 11,2 и 11.3 образуются три спектраЛЬНЫЕ СОСтаВЛяЮщИЕ На ЧаСтстаХ 411, 41ср, 4fZ И 8f1, Sfcp, SfZ, т,Е. СПЛОШНОЙ СПЕКтр трансформируется в три спектральные составляющие (фиг.4д), На выходе перемножителя 10.1 спектр ЧМн — 3 сигнала трансформируется в другой сплошной спектр, поскольку h < 1. Таким образом, на экранах индикаторов 6.1 и 6.2 визуально наблюдаются сплошные спектры. Если на вход анализатора поступает ЧМн — 5 сигнал, то на выходе перемножителя 10,3 его сплошной спектр трансформируется в пять спектральных лепестков с пиковыми значениями на частотах Sf1, Sf3 Sfcp Sf4, 8fz. На выходах перемножителей 10.1 и 10,2 сплошной спектр ЧМн — 5 сигнала трансформируется в сплошные спектры, так как в этих случаях h < 1, Таким образом, на экранах индикаторов 6.1 — 6.3 наблюдаются сплошные спектры, а на экранах индикатора 6,4— пять спектральных лепестков (фиг.4е). Если на вход анализатора поступает сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) Uc(t) UccOS(2Zfct+ лУ С + ), О < l <Т hfdf где ) = — скорость изменения частоты Tñ внутри импульса; fg — девиация частоты, то преобразователем 8 частоты он переносится на промежуточную частоту Unp(t) = Опр Соз (2X fnpt+ л) с + pnp ). 0 Напряжение Unp(t) выделяется усилителем 9 промежуточной частоты и поступает на ячейку Брэгга 3,4 и на два входа перемножителя 10,1, на выходе которого образуется ЛЧМ-сигнал U1(t) = U1Cos(4xfnpt+2 лут +2 напр ), О< t< 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 частоте одинакова, то увеличение у в два раза происходит за счет увеличения в два раза девиации частоты Л fg. Из этого следует, что ширина спектра ЛЧМ-сигнала на удвоенной промежуточной частоте hSz в два раза боль1739311 12 ше его ширины на основной промежуточной частоте (Ж2 = 2 hfc), Аналогично на выходах перемножителей 10.2 и 10.3 ширина спектра ЛЧМ-сигнала увеличивается в 4 и 8 раз. 5 Следовательно, на экране индикатора 6.1 визуально наблюдается спектр ЛЧМсигнала, а на экранах индикаторов 6.2 — 6.4— спектры ЛЧМ-сигналов, ширина спектра которых в 2,4 и 8 раз больше ширины спектра 10 исходного ЛЧМ-сигнала (фиг.4ж), Это обстоятельство и является признаком распознавания ЛЧМ-сигнала. Формула изобретения 15 Акустроптический анализатор спектра по авт,св. М 1626182, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем автоматического измерения и регистрации амплитуды и фазы 20 спектральных составляющих принимаемого сложного сигнала, в него введены генератор сигнала с линейной частотной модуляцией, опорный генератор, дифракционная решетка, диафрагма, пятая и шестая ячейки Брэг- 25 га, пятая, шестая и седьмая линзы, амплитудный детектор, амплитудный аналого-цифровой преобразователь, цифровой фазометр и блок регистрации, причем на пути распространения пучка света последовательно установлены пятая линза и пятая ячейка Брэгга, электрический вход которого через генератор сигнала с линейной частотной модуляцией соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, на пути распространения дифрагируемой пятой ячейкой Брэгга части пучка света последовательно установлены шестая линза, дифракционная решетка и шестая ячейка Брэгга, пьезоэлектрический преобразователь которой соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, на пути распространения дифрагируемой шестой ячейкой Брэгга части пучка света установлена седьмая линза, в фокальной плоскости которой последовательно установлены диафрагма и пятая матрица фотодетекторов, к выходу которой последовательно подключены амплитудный детектор, амплитудный аналогоцифровой преобразователь и блок регистрации, второй вход которого через цифровой фазометр соединен с выходом пятой матрицы фотодетекторов и опорного генератора, 1739311 BB 9ЮB Юб г Я Я Ю бЬ е вюзи 4Ьг, Ф ф,кн-8 Составитель И,Коновалов Техред М.Моргентал Корректор С.Шевкун Редактор И.Горная Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 2001 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
