Акустооптический анализатор спектра

 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может использоваться для визуального анализа спектра исследуемых сигналов и определения вида их модуляции. Цель изобретения - расширение диапазона частот путем использования зеркального и комбинационных каналов. Цель достигается введением фильтров 20, 24, 18; амплитудных детекторов 21, 25, 19; ключей 13. 22, 26; фазовращателя 11 на -90°; перемножителя 17; сумматора 12 и блоков 6, 23. 27.28 анализа, последние выполнены в виде перемножителей, полосовых фильтров, лазера, коллиматора, четырех ячеек Брэгга, четырех линз, четырех матриц фотодетекторов и четырех блоков индикации. Устройство содержит также приемную антенну, преобразователь 2 частоты, смеситель 8, усилители 3 и 9 промежуточной частоты, перемножитель 14. фильтр 15, фазовращатели 7 и 10 на -^90*^. сумматор 4, узкополосный фильтр 5. амплитудный детектор 16. ключ 5. 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 R 23/16

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ й

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1721534 (21) 4923352/21 (22) 29.03,91 (46) 07.12.92, Бюл. ¹ 45 (72) В.Е.Велихов, В.И.Дикарев, Б.В.Койнаш и С.Г,Смоленцев (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1721534. кл. G 01 R 23/16. 1989. (54) АКУСТООПТИЧ Е СКИЙ АНАЛИЗАТОР

СПЕКТРА (57) Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может использоваться для визуального анализа спектра исследуемых сигналов и определения вида их модуляции, Цель изобретения — расширение диапазона частот путем использования зер. Ж„» 1780038 А2 кального и комбинационных каналов. Цель достигается введением фильтров 20, 24, 18; амплитудных детекторов 21, 25, 19; ключей

13, 22, 26; фазовращателя 11 Hà -90; перемножителя 17; сумматора 12 и блоков 6, 23, 27, 28 анализа, последние выполнены в виде перемножителей, полосовых фильтров, ла- зера. коллиматора, четырех ячеек Брзгга, четырех линз, четырех матриц фотодетекторов и четырех блоков индикации. Устройство содержит также приемную антенну, преобразователь 2 частоты, смеситель 8, усилители 3 и 9 промежуточной частоты, перемножитель 14. фильтр 15, фэзовращатели

7 и 10 на +90, сумматор 4, узкополосный фильтр 5, амплитудный детектор 16, ключ 5.

5 ил.

1780038

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может использоваться для визуального анализа спектра исследуемь х сигналов и определения вида их модуляции. 5

Целью изобретения является расширение диапазона частот.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого анализатора спектра; на фиг.2 —; на 10 фиг,3 -- частотная диаграмма, поясняющая принцип образования дополнительных

{зеркального и комбинационных) каналов приема: на фиг.4 — взаимное расположение символьных частот сигналов с многократной 15 частотной манипуляцией; на фиг.5 — закон изменения фазы частотно-манипулируемого сигнала.

Акустооптический анализатор спектра (фиг.1) содержит приемную антенну 1, пре- 20 образователь 2 частоты, гетеродин 2. I, последовательно соединенные смеситель 2,2, усилитель 3 промежуточной частоты, сумматор 4, ключ 5, блок 6 анализа, последовательно соединенные фазовращатель 7 25 на 90", смеситель 8, усилитель 9 промежуточной частоты и фаэовращатель 10 на 90, последовательно соединенные фазовращатель 11 на 90О. сумматор 12 и ключ 13, последовательно соединенные перемножи- 30 тель 14, узкополосный фильтр 15, амплитудн ый детектор 16, последовательно соединенные перемножитель 17, фильтр 18 и амплитудный детектор 19, последовательно соединенные фильтр 20, амплитудный 35 детектор 21. ключ 22 и блок анализа 23, последовательно соединенные фильтр 24, амплитудный детектор 25, ключ 26 и блок 27 анализа, к выходу ключа 13 подключен блок

28 анализа. Блок анализа (фиг.2) состоит из 40 лазера 29, коллиматора 30, первой, второй, третьей и четвертой ячеек Брэгга 31.1-31,4, первой, второй, третьей и четвертой линз

32.1-32,4, первой, второй, третьей v, четвертой матриц фотодетекторов 33,1 — 33,4 и пер- 45 вого, второго, третьего и четвертого блоков

34.1-34,4 индикации.

Акустооптический анализатор спектра работает следующим образом.

Принимаемый сигнал, например, с бинарной фазовой манипуляцией с выхода приемной антенны 1 поступает на первые входы смесителей 2.2 и 8 и перемножителей

14 и 17. На второй вход смесителя 2.2 с 55 первого выхода гетеродина 2.1 подается напряжение

Ur1(t) = 0 СОЗ(2 Л fr 1+ У ;), где Ur, fr, p — амплитуда, частота и начальная фаза напряжения гетеродина.

На вход смесителя 8 с второго выхода гетеродина 2.1 через фазовращатель 7 на

90 подается напряжение

Urz(t) = загсов(2 Лfr t + pr + 90 )

На выходах смесителей 2.2 и 8 образуются напряжения комбинационных частот.

Усилители 3 и 9 выделяют напряжения 0» (t) и U»(t) промежуточной (разностной) часfnp

Напряжение UI1p (t) с выхода усилителя

9 промежуточной частоты поступает на входы фазовращателей 10 и 11 на +90" и -90 . на выходах которых образуются напрях<еHL1A i)»,(т) и, (t).

Эти напряжеяия поступают на два входа сумматора 12, на его выходе компенсируются. Напряжения Unp(t) и Unp(t) поступают э на два входа сумматора 4, на выходе которого образуется напряжение 0 (t). Это напряжение подается на второй вход перемножителя 14, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

U1(t) = U1COS(2 Гfr t, +Pr). 0 t Т,, где 1-11 =- — К20с0»-, 1

Kz — коэффициент передачи перемножителя;

U<: — амплитуда принимаемого сигнала;

U = 214р,.

Частота настройки f„, узкополосных фильтров 15 и 18 выбирается равной частоте

1г гетеродина 2,1 fr< = fr.

Частота настройки 1н.„узкополосных фильтров 20 и 24 выбирается равной второй гармонике частоты гетеродина f, = 21п

Поэтому в полосу пропускания узкополосного фильтра 15 попадает гармоническое напряжение U1(t), которое после детектирования в амплитудном детекторе

16 поступает на управляющий вход ключа 5 и открывает его. Ключи 5, 13, 22. 26 в исходном состоянии всегда закрыты. При этом напряжение 0-,-- (t) с выхода сумматора 4

1 через открытый ключ 5 поступает на вход блока 6 анализа, а затем (фиг.2) на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 31.1, где происходит преобразование сигнала в акустическое колебание, и на два входа перемножителя 35, На выходе последнего образуется гармоническое напряжение

1780038

1 2 где Ог =- — КгО

Pnp1 —

Afс Afс Afс г 4 8 где Оз = — Кг U) .

1 где U4 = — Кг Оз.

Р Рг Рг Рз

0

7 где U = 2Опр,.

U2(T) = Огсоэ(4 X fnpt+ 2л пр ), 0< х< Т с

Так как 2 p< (t) = 0,2 R, то в указанном напряжении фазовая манипуЛяция уже отсутствует. Напряжение U2(t) выделяется полосовым фильтром 36 и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 31.2 и на два входа перемножителя 37, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

Ug(t) = Озсоэ(8 JE fnpt + 4 pnpt ), 0 5 t + Тс, Это напряжение выделяется полосовым фильтром 38 и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга и на два входа перемножителя 39, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

U4(t) = О4соэ(16Лfnpt+8Pnp) ), 0 5С 5Тс, Это напряжение выделяется полосовым фильтром 40 и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 31.4, Пучок света от лазера 29, сколлимированный коллиматором 30, проходит через ячейки Брэгга 31,1 — 31.4 и дифрагирует на акустических колебаниях, возбужденных сигналом и его гармониками. При этом следует отметить, что дифрагирует только примерно десятая часть пучка света источника излучения. На пути распространения дифрагируемой части пучка света устанавливаются линзы 32,1-32.4. В фокальйых плоскостях указанных линз, формирующих пространственный спектр принимаемого сигнала, установлены матрицы фотодетекторов 33.1 — 33,4, к выходам которых подключены блоки 34.1 — 34.4 индикации. Причем каждому разрешающему элементу анализируемого частотного диапазона соответствует свой фотодетектор. Каждая ячейка 6рэгга состоит из звукопровода и возбуждаемый гиперэвук пьезоэлектрической пластины (пьезоэлектрический преобразователь), выполненной из кристалла ниобата лития соответственно Х и Y-35 С среза. Это обеспечивает автоматическую подстройку по углу Брэгга и работу ячейки в широком диапазоне частот. 8 качестве блоков индикации могут быть использованы осциллографические индикаторы.

5 Ширина спектра Л 1с принимаемого сигнала определяется длительностью г„ элементарных посылок (Afc = 1/ тп ), Тогда как ширина спектра второй A f2, четвертой Л f4 и восьмой Л fs гармоник определяется длитЕЛЬНОСтЬЮ Тс СИГНаЛа (Л f2 = Л f4 = Л f8 =

=1/Тс).

Следовательно, при умножении фазы на два, четыре и восемь спектр сигнала сворачивается в N раз

15 и трансформируется в одиночные спектральные составляющие. Это обстоятельство и является признаком распознавания сигнала. Спектры принимаемого сигнала и его гармоник визуально наблюдаются на экранах индикаторов соответственно (фиг.4а), Описанная выше работа устройства соответствует случаю приема сигналов по основному каналу на частоте fc (фиг,За). Если

ФМн-2 сигнал принимается по зеркальному каналу на частоте fz, то усиливателями 3 и 9 промежуточной частоты выделяются напряжения

Unp (t) = Опр соэ(27г тпр1 - уп «(t) + p пр ), Unp (t) = Опр c0s(2 7г fnpt - p «(t) +(p пр + 90 ), 1

rye Опрг = — Kt Оз Ог.

fnp = fr — fS — промежуточная частота;

Напряжение Unp<(i) с выхода усилителя 9 промежуточной частоты поступает на входы фазовращателей 10,11 на +90 и -90О, на выходах которых образуются напряжения

Unpre), Опр (1).

Напряжения U ð (t) и U,p (t), поступающие на два входа сумматора 4, на его выходе компенсируются. Напряжения UÄp (t)

5 и Unp (t) поступают на два входа сумматора ь

12, на выходе которого образуется напряжение

U (t) = 0 СОЯ(27Фпрt — p<(t) + фпрг), 1780038

0«<Тк, 2

40 где 0 = 20лр . :э э

05(t) = 05СО$(2Са rt

1 а э

Это напряжение подается на второй вход перемножителя 17, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

U5(t) = 05со$(2 л frt + p. ), I где U5 = — Kzugu

Узкополосным фильтром 18 выделяется напряжение О®, которое после детектиро- 10 вания в амплитудном детекторе 19 поступает на управляющий вход ключа 13 и открывает его. При этом напряжение U (t) с выхода сумматора 12 через открытый ключ

13 поступает на вход блока 28 анализа. 15

Дальнейшая работа блока 28 анализа описана выше, Если ФМн-2 сигнал принимается по первому комбинационному каналу на частоте 4,(фиг.3), 20

О, (t) = 0,,c o s(2 тг f K,(t) +p (t)+p<), 0

9 а

Напряжение Unp (t) с выхода усилителя

9 промежуточной частоты поступает на входы фазовращателей 10 и 11 на +90 и -90", на выходах которых образуются напряжеHvq 0!р,(t), UnpP).

Напряжения Unp (t) и Unp (t) поступаюэ (! щие на два входа сумматора 4, íà его выходе компенсируютсЯ. НапРЯжениЯ 0пр (t) и Unpt>

9 (t) поступают на два входа сумматора 12, на выходе которого образуется напряжение 35

0> (t) = U cos(2 zfnpt -с к(с) -!-с,р ), с э э

0

Это напряжение подается на второй вход перемножителя 17, на выходе которого образуется гармоническое напряжение 45

Узкополосным фильтром 20 выделяется гармоническое напряжение 05(t). которое после детектирования в амплитудном детекторе 21 поступает на управляющий вход 55 ключа 22 и открывает его. При этом напряжение 0 (t) с выхода сумматора 12 через открытый ключ 22 поступает на вход блока

23 анализа, Если ФМн-2 сигнал принимается по второму комбинационному каналу на частоте f«z(4 r. 3) U (t) = U соз(2 4р+ар (t)+g ), 0

Напряжение UnpP) с выхода усилителя

9 промежуточной частоты поступает на входы фазовращателей 10 и 11 на +90 и -90, на выходах которых образуются напряжения 0лр (!) и Unq (т).

Напряжения Unp (t) и Unp (t), поступающие на два входа сумматора !2, íà его вь|ходе компенсируются. Напряжения Unp (t) и (Ъ

Unp(t) поступают на два входа сумматора 4, !

5 на выходе которого образуется напряжение

0 - (t) = 0 со$(2 fnpt +/K(t) +Япр }, и 1 где 0> = 20np<, Это напряжение подается на второй вход перемножителя 14, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

U>(t) = 07соз(2И,т+с г), 1 гдЕ 07=2 KZ 0

Узкополосным фильтром 24 выделяется напряжение 07(t), которое после детектирования в амплитудном детекторе 35 поступает на управляющий вход ключа 26 и открывает его. При этом напряжение с выхода сумматора 4 через открытый ключ 26 поступает на вход блока 36 анализа.

Если на вход анализатора спектра постул 3 пает ФМн-4 сигнал (р, (t) = 0, 2, ."г, —.г ), то на выходе полосового фильтра Зб образуется ФМн-2 сигнал(!„(1) =0, .-г, 2 7г, З.т ), а на выходе полосовых фильтров 38 и 40 образуются соответствующие гармонические напряжения Uz(t) и 04® В этом случае на экранах блоков 34.1, 34.2 индикации наблюдаются спектры ФМн-4 и ФМн-2 сигналов, а на экранах индикаторов 34.3 и 34.4 наблюдаются одинаковые спектральные составляющие.

Если ФМн-4 сигналы принимаются по зеркальному или комбинационным каналам, то работа анализатора спектра происходит аналогичным образом, 10

1780038

Если на вход анализатора спектра поступает ФМн-8 сигнал г л 3 5 3 7

Р,ф = О, ч, 2, ч Л, Л, К, Л, Л), то на выходах паласовых фильтров 36 и 38 5 образуются ФМн-4 и ФМн-2 сигналы, а на выходе полосового фильтра 40 образуется гармоническое напряжение U4(t). В этом . случае на экранах блоков 34.1, 34.2, 34.3 наблюдаются спектры ФМн-8, ФМн-4 и

ФМн-2 сигналов, а на экране индикатора

34.4 наблюдается одиночная спектральная составляющая.

Если на вход устройства поступает

ЧМн-2 сигнал (фиг.4а), то на выходе полосового фильтра 36 образуется частотно-манипулированный сигнал с индексом девиации частоты h = 1. При этом спектр трансформируется в две спектральные составляющие на частотах 4f(и 4fz. А на выходе полосового фильтра 40 образуются две спектральные составляющие на частотах 8f1 и 8f2, Если на вход устройства поступает

ЧМн-3 сигнал (фиг.4б), то на выходах полосовых фильтров 36 и 40 образуются три спектральные составляющие на частотах

4f1, 4<с, 4<2 и 8f1. Sfcp, Sf2, т е. сплошной спектр трансформируется в три спектральныее составляющие. На выходе перемножителя 35 спектр ЧМн-3 трансформируется в другой сплошной спектр, поскольку h<1.

Таким образом, на экранах блоков 34.1 и 34.2 индикации визуально будут наблюдаться сплошные спектры.

Если на вход устройства поступает

ЧМн-5 сигнал (фиг.4в) то на выходе перемножителя 39 его сплошной спектр трансформируется в пять спектраЛьных лепестков с пиковыми значениями на частотах Sf1, 8f4, 81ср, Sf5 и Sfz. На выходах перемножителей 35 и 37 сплошной спектр ЧМн-5 сигнала трансформируется в другие сплошные спектры, так как h<1, Таким образом, на экранах блоков 34.1, 34.2, 34.3 индикации будут наблюдаться сплошные спектры, а на экране индикатора 34,4 — пять спектральных составляющих.

Если на вход устройства поступает сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧ М) О т<Тс.

20

25 тате одинакова, то увеличение у в 2 раза

35

50

Uc(t) = Uc COS(2 1(fct + ii 2t t + g с), 0<с< Тс, М где у = — — скорость изменения частоты

Тс внутри импульса;

5 fä — девиация частоты, то после преобразования по частоте и суммирования на выходе сумматора 4 образуется напряжение

U (t)=U (:os(2 fppt+u(t + gp), Х1, (которое поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 31.1 и на двэ входа перемножителя 35, на выходе которого образуется ЛЧМ сигнал

08(1) = U8 cos(4 и fnpt + 2(((t + 2фр ). (0

2 который выделяется полосовым фильтром

36 и поступает на пьезоэлектрический преобразовэтель ячейки Брэгга 31.2.

Так как длительность Тс ЛЧМ сигнала на основной и удвоенной промежуточной часпроисходит за счет увеличения в 2 раза девиации частоты Л1д. Из этого следует, что ширина спектра ЛЧМ сигнала на удвоенной промежуточной частоте в 2 раза больше его ширины на основной промежуточной частоте(Л f2=2 Л fc).

Аналогично на выходах перемножителей 37 и 39 ширина спектра ЛЧМ сигнала увеличивается в 4 и 8 раз. Следовательно, на экране блока 34.1 визуально наблюдается спектр ЛЧМ сигнала, а на экранах индикаторов 34.2, 34.3, 34.4 наблюдаются спектры сигналов, ширина которых в 2, 4 и 8 раэ больше ширины спектра исходного ЛЧМ сигнала. Это обстоятельство и является признаком распознавания ЛЧМ сигнала, Формула изобретения 1. Акустооптический анализатор спектра по авт. св, N 1721534, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью расширения диапазона частот. в него введены первый блок анализа, последовательно соединенные фазовращатель на -90, второй сумматор, второй ключ и второй блок анализа, последовательно соединенные пятый перемножитель, второй фильтр и второй амплитудный детектор, последовательно соединенные третий фильтр,. третий амплитудный детектор, третий ключ и третий блок анализа, последовательно соединенные четвертый фильтр, четвертый амплитудный детектор, четвертый ключ и четвертый блок анализа, причем к выходу второго усилителя промежуточной частоты подключен вход фа1780038

12 зовращателя на -90", второй вход второго сумматора соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, а выход — к управляющим входам третьего ключа и первому входу пятого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом приемной антенны и первым входом четвертого перемножителя, выход пятого перемножителя подключен к входу третьего фильтра, выход второго амплитудного детектора — к управляющему входу второго ключа, а вход первого блока анализа — к выходу первого ключа.

2. Анализатор спектра по п.1, о т л и ч а-. ю шийся тем, что блок анализа выполнен в виде последовательно соединенных первого перемножителя, первого полосового фильтра, второго перемножителя, второго полосового фильтра, третьего перемножителя и третьего полосового фильтра, а также установленных последовательно вдоль одной оптической оси лазера, коллиматора и четырех ячеек Брэгга, каждая из которых по ходу продифрагировавшего в ней луча через соответствующую линзу оптически связана

5 с соответствующей матрицей фотодетектора, установленной в фокальной плоскости этой линзы и выходом подключенной к соответствующему индикатору, при этом два выхода первого перемножителя соединены с

10 входом блока анализа и с пьезоэлектрическим преобразователем первой ячейки

Брэгга, выход первого полосового фильтра подключен к второму входу второго перемножителя и пьезоэлектрическому преоб15 разователю второй ячейки Брэгга, выход второго полосового фильтра — к второму входу третьего перемножителя и пьезоэлектрическому преобразователю третьей ячейки Брзгга, а выход третьего полосового

20 фильтра — к пьезоэлектрическому преобразователю четвертой ячейки Брэгга. 780038

Редактор

Заказ 4434 Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

Составитель Л.устинова

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Е.Папп