Измеритель фаз осциллографический
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам определения характеристик радиосигналов с комбинированной амплитудной и фазовой манипуляцией. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата в устройство введены второй перемножитель 12, первый 14 и второй 15 фильтры нижних частот, первая 13, вторая 20 управляемые линии задержки, детектор огибающей 22, первый 17, второй 18 дифференцирующие блоки, первый 19 и второй 23 элементы ИЛИ, элемент И 21, блок управления задержкой 26 и генератор ждущей развертки 25. При этом блок управления задержкой 26 содержит генератор счетных импульсов 27, элемент задержки 28, элемент "Запрет" 29, первый триггер 30, второй элемент И 31, счетчик 32, дешифратор 33, третью управляемую линию задержки 34, третий элемент И 35, второй триггер 36, четвертый элемент И 37. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Предлагаемое изобретение относится к радиоизмерительной технике, в частности к устройствам определения характеристик радиосигналов с комбинированной амплитудной и фазовой манипуляцией, и может быть использовано в приемных и измерительных установках для решения задач поиска и анализа амплитудно-фазоманипулированных сигналов с априорно неизвестными параметрами при проверке и наладке аппаратуры когерентных радиолиний, а также при контроле электромагнитной обстановки и радиоразведке.
Интенсивное развитие систем передачи дискретных сообщений по радиорелейным линиям и спутниковым каналам связано с реализацией новых методов модуляции, позволяющих максимально эффективно использовать отведенную для передачи полосу частот. Одним из таких методов является многопозиционная амплитудно-фазовая манипуляция /АФМн/, при которой сочетания значений амплитуды и фазы сигнала принимают определенное количество /m/ дискретных значений. При этом более эффективно используется пространство сигналов и достигается более высокая удельная скорость передачи по сравнению с бинарной и многофазной /двух- и трехкратной/ фазовой манипуляцией /ЧМн/, особенно при большом числе позиций и достаточно высоком отношении сигнал/шум.
Графическое представление m возможных положений конца вектора сигнала в полярных координатах "фаза-амплитуда" /или в прямоугольных координатах, соответствующих квадратурным составляющим этого сигнала/ дает ансамбль или "созвездие" сигналов, являющееся основной характеристикой вида модуляции, при этом длина вектора характеризует мощность сигнала для данной позиции, а расстояние между соседними позициями - помехоустойчивость. Так, m - позиционный ФМн сигнал отображается в виде m равномерно расположенных на окружности сигнальных точек с угловым интервалом 2π/m радиан. Применяются двоичные или бинарные /однократные/, троичные, четверичные /двукратные/ и восьмеричные /трехкратные/ ФМн сигналы. При m>8 оптимальными с точки зрения помехоустойчивости являются неравномощные сигналы, отличающиеся как фазой, так и амплитудой и равномерно размещенные внутри окружности, радиус которой определяется максимальной энергией сигнала ([1], раздел 1, 5, стр.46-55). В случаях, когда определяющей является не пиковая, а средняя мощность передатчика, более выгодными являются другие конфигурации ансамбля сигналов, в частности, построенные на основе квадратной, а при m>32 - треугольной сети [2]; такие сигналы, формируемые путем квадратурной амплитудной модуляции /КАМ/, получают в последнее время все большее применение.
Несколько примеров ансамблей многопозиционных сигналов из [1, 2, 3] приведены на фиг.1 а-е. На фиг.1А показан ансамбль ФМн-16, на фиг.1б - ансамбль АФМн-16 с сигнальными точками, равномерно размещенными на двух концентрических окружностях /т.е. с двумя уровнями по амплитуде/ [1], на фиг.1в - многоуровневый по амплитуде ансамбль АФМн-16, предложенный и рекомендованный МККТТ /международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии/ под номером V-29 [3], имеющий только восемь фазовых позиций и четыре уровня по амплитуде и обладающий пониженной чувствительностью к дрожанию /флюктуациям/ фазы несущей частоты, благодаря относительно большому углу между сигнальными векторами; на фиг.1г и 1д показаны варианты ансамблей АФМн-16 из [2] с кольцевой структурой, имеющие два уровня и различное расположение сигнальных точек на этих двух окружностях; на фиг.1е - с сигнальными точками в узлах квадратной решетки /КАМ-16/, имеющий три уровня по амплитуде. Известны КАМ-сигналы и со значительно большим числом позиций /КАМ-64, КАМ-128 из [2], соответствующий рекомендациям МККТТ под номером V-33, и другие/.
Как видно из фиг.1, ансамбли многопозиционных сигналов с одним и тем же числом позиций могут иметь различные конфигурации, отличающиеся количеством градаций по фазе и амплитуде, расположению сигнальных точек, а также соотношениями амплитуд различных градаций и величинами интервалов по фазе между ними; последние могут быть как одинаковыми для любой пары соседних по фазе градаций, так и различными, в том числе некратными, как это имеет место для ансамбля на фиг.1 а.
Внедрение в системы связи многопозиционных ФМн и АФМн сигналов обусловило возникновение множества технических решений, направленных на создание и усовершенствование различных вариантов устройств приема и демодуляции этих сигналов, а также аппаратуры для измерения и анализа параметров передаваемых и принимаемых сигналов с такими видами модуляции. При этом, в частности, должны решаться задачи создания в приемной аппаратуре устройств формирования опорного когерентного колебания, необходимого для фазового детектирования, и синхронизации тактовой частоты информационного сигнала.
В большинстве случаев устройства приема и демодуляции сигналов в когерентных линиях связи рассчитываются на обработку сигналов, основные параметры которых /несущая частота, вид модуляции, тактовая частота и длительность элементарной посылки/ априорно известны. При этом указанные выше задачи сводятся к фазированию местных генераторов несущей и тактовой частот, принимаемых синхросигналом /параметры которого также априорно известны/, или с помощью сигнала опорной /несущей/ частоты, выделяемого /формируемого/ из информационного сигнала с помощью специальных схем. В частности, для этого широко применяются умножители частоты с последующей узкополосной фильтрацией. Выделенная таким образом гармоника сигнала, в которой устранена фазовая манипуляция, приводится на исходную частоту /например, путем деления/ и используется в качестве опорного сигнала или для фазирования управляемого генератора опорного напряжения.
Другим путем формирования когерентного опорного сигнала, находящим применение при передаче информации методом относительной фазовой манипуляции, является автокорреляционный, при котором в качестве опорного используются сигналы предыдущих дискретов /элементарных посылок/, задержанные на величины длительностей этих посылок. Условием успешного функционирования такого декодирующего устройства является точное соответствие времени задержки длительности дискрета [1], что обычно не встречает затруднений ввиду априорной известности этого параметра для конкретных типов линий передачи, в которых работает данный демодулятор.
Известно достаточно много вариантов устройств приема и демодуляции, имеющих сходное в своей основе построение и ряд одинаковых составных узлов /блоков, элементов/ и отличающихся отдельными усовершенствованиями для повышения качества приема или расширения функциональных возможностей демодулятора. Достаточно типичным по составу является демодулятор фазоманипулированных сигналов по а.с. №1450129 /H04L 27/22, опубл. 89.01.07, БИ №1, заявка №4250705/24-09 от 87.05.27/, который содержит фазовый детектор, умножитель частоты, усислители-формирователи, дифференцирующие блоки, триггер, счетчик, генератор импульсов, элемент И. Для повышения достоверности приема введены фильтр сигнала удвоенной несущей частоты, фазовращатель, компенсирующий сдвиг фазы сигнала на время его обработки в цепи: умножитель-фильтр-фазовращатель-усилитель-дифференцирующий блок-триггер.
Данный демодулятор, использующий удвоитель частоты, позволяет осуществлять прием двухпозиционного ФМн сигнала /с однократной фазовой манипуляцией/. При демодуляции сигналов с двух- и трехкратной манипуляцией /ФМн-4 и ФМн-8/ восстановление несущей может производиться с помощью умножителей частоты на четыре и восемь соответственно. Так, в осциллографическом фазометре по а.с. №1247778 /G01R 25/00, опубл. 86.07.30, БИ №28, заявка №3806020/24-21 от 29.10.84/, содержащем генератор развертки, электронный коммутатор, гетеродин, смеситель, УПЧ, ключ, накопитель, линию задержки, а также генератор опорного напряжения, фазовращатель, два усилителя и две ЭЛТ, накопитель, выполняющий функцию обнаружения ФМн сигналов с одно-, двух- и трехкратной манипуляцией /т.е. двух-, четырех- и восьмипозиционных ФМн-2, ФМн-4 и ФМн-8 соответственно/, содержит умножители частоты на два, четыре и восемь, анализаторы спектров входного и выходного сигналов умножителей, блоки сравнения этих спектров, пороговые элементы, элемент ИЛИ. Линия задержки в этом фазометре выполняет функцию таймера /устройства выдержки заданного временного интервала/, ограничивающего время остановки перестраиваемого гетеродина для приема данного сигнала интервалом, достаточным для визуальной оценки параметров принимаемого ФМн сигнала по осциллограммам на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ).
Отметим еще демодулятор сигналов по а.с. №1540029 /H04L 27/22, БИ №4, 1990, заявка №4392041/24-08 от 15.03.88/, содержащий входной фильтр, анализатор, блок восстановления несущей, линию задержки, коммутатор, перемножитель, интегратор, блок тактовой синхронизации, решающий блок, при этом анализатор имеет два канала, содержащие /каждый/ полосовой фильтр, ограничитель, фазовый детектор и интегратор, и включенный на их выходах вычитатель с пиковым детектором. Этот демодулятор также рассчитан на работу только с ФМн сигналом и содержит ряд типичных для большинства демодуляторов блоков, причем характеристика этих блоков в формуле изобретения, включая и относительно сложные /блок восстановления несущей, блок тактовой синхронизации, решающий блок/ выполнены в наиболее обобщенном виде - лишь через наименование соответствующей функции.
Имеется множество других разновидностей устройств приема и демодуляции ФМн сигналов, отличающихся наличием тех или иных дополнительных элементов для решения различных частных задач /устройство демодуляции ФМн сигнала по а.с. №1626439, H04L 27/22, 1991; детектор фазомодулированного сигнала по заявке Великобритании №1839679, H03D 3/06, 1988; демодулятор сигналов с ОФМ по а.с. №1548865, H04L 27/22; когерентный демодулятор 4-позиционных ФМн сигналов по пат. США №4871974, H03D 3/18 от 3.10.89; устройство выделения несущей частоты для 4-фазного сигнала, защищенное от ложной синхронизации, по заявке Франции №2641920, H04L 7/02, 20.07.90; приемники сигналов трехкратной фазовой манипуляции по а.с. №1492486 и №1499522, H04L 27/22, 1989, БИ №25 и №29, устройство для распознавания импульсных частотно-модулированных сигналов с бинарной фазовой манипуляцией по а.с. №1252748 G01S 7/36, 1986, БИ №31 и др./.
Более сложной задачей является прием многопозиционных сигналов со смешанной амплитудно-фазовой модуляцией, особенно в случаях априорной неизвестности их параметров и возможности их вариаций в достаточно широких пределах. Такие задачи должны решаться, в частности, в измерительной и контрольной аппаратуре, а также в аппаратуре радиоразведки. Приведем несколько примеров построения устройств приема АФМн сигналов. Известно, в частности, устройство демодуляции ФМн сигналов по а.с. №1322498, содержащее последовательно соединенные управляемый генератор, смеситель, второй вход которого является входом демодулятора, УПЧ, амплитудный ограничитель, удвоитель частоты, узкополосный фильтр, фазовый детектор, второй вход которого через второй удвоитель подключен к выходу генератора опорного напряжения, и фильтр нижних частот, выход которого подключен к входу управляемого генератора, а также подключенный через фазовращатель к другому выходу генератора опорного напряжения второй фазовый детектор, другой вход которого соединен выходом ограничителя. Для расширения функциональных возможностей путем демодуляции сигналов с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией он снабжен последовательно включенными перемножителем, один вход которого соединен в входом демодулятора, а второй - с выходом ограничителя, полосовым фильтром и синхронным детектором, второй вход которого соединен с выходом управляемого генератора. Информационный сигнал фазовой манипуляции выделяется на выходе второго фазового детектора, а амплитудной модуляции - на выходе синхронного детектора.
Факторами, ограничивающими область применения данного устройства, являются:
- демодулятор позволяет осуществлять прием и обработку сигналов только одной определенной несущей частоты, так как с одной стороны, управляемый генератор должен иметь частоту, лежащую в полосе пропускания полосового фильтра, и подстраиваться по частоте в соответствующих ограниченных пределах, и, с другой стороны, значение промежуточной частоты сигнала на выходе смесителя должно быть фиксированным и точно соответствующим частоте /постоянной/ генератора опорного напряжения, что является необходимым условием для выделения сигнала модуляции на выходе второго фазового детектора;
- данный демодулятор позволяет вести прием только сигналов с однократной ФМн, так как в цепи восстановления несущей используется удвоитель частоты.
Кроме того, информация об амплитудной и фазовой манипуляции выдается по двум раздельным выходам и независимо друг от друга, что затрудняет идентификацию вида АФМн, которая должна производиться по совокупности данных о фазовых и амплитудных параметрах модуляции с учетом их взаимной связи.
В демодуляторе сигналов по а.с. №1660196 H04L 27/22, опубл. 30.06.91, БИ №24, заявка №4666582/09 от 24.03.89, дополнительному к упомянутому выше а.с. №1540029, для расширения функциональных возможностей за счет обеспечения демодуляции амплитудно-фазоманипулированных сигналов к выходу входного фильтра дополнительно подключены последовательно соединенные детектор огибающей, дополнительный блок тактовой синхронизации и дополнительный решающий блок, второй вход которого подключен в выходу детектора огибающей, а выход является дополнительным выходом демодулятора. При приеме сигналов с относительной ФМ на дополнительном выходе демодулятора имеется сигнал "0", соответствующий отсутствию сигнала. При приеме АФМн сигнала на дополнительном выходе выделяется составляющая, определяющая амплитудную модуляцию /AM/. Как видно, этот демодулятор представляет собой, по существу, два отдельных демодулятора для АМн- и ФМн-сигналов, работающих независимо друг от друга и объединяемых только общим входом для принимаемого сигнала. Раздельная выдача информации о фазовой и амплитудной модуляции, так же как и в предыдущем примере, затрудняет определение типа комбинированной манипуляции. Кроме того, этот демодулятор не предусматривает возможность приема сигналов в диапазоне частот и позволяет демодулировать сигналы с одинаковыми интервалами по фазе между соседними градациями, соответствующими испотльзуемым при ФМн, на которые рассчитан блок восстановления несущей в основном а.с. №1540029; сигналы с КАМ, имеющие различные межпозиционые интервалы, при этом будут искажаться или вообще не смогут быть приняты
Известно также устройство демодуляции фазоманипулированных сигналов по а.с. №1494243 /H04L 27/22, 89.07.15, БИ №26, обеспечивающее расширение функциональных возможностей устройства путем пеленгации источника излучения сигнала с комбинированной AM и ФМ наряду с его демодуляцией и содержащее три смесителя, управляемый генератор, три УПЧ, два амплитудных ограничителя, два удвоителя частоты, два узкополосных фильтра, генератор опорного напряжения, три фазовых детектора, фильтр нижних частот, фазовращатель, два перемножителя, полосовой фильтр, синхронный детектор, две антенны и делитель частоты на два. Как видно из состава данного устройства, он обеспечивает демодуляцию только двухпозиционных по фазе сигналов /с однократной фазовой манипуляцией/ и при этом выдача данных демодуляции по AM и ФМ производится по отдельным выходам, что не дает единого представления о виде /ансамбле/ принимаемого сигнала.
Остановимся еще на двух устройствах приема и анализа, обеспечивающих возможность работы в диапазоне частот и наиболее близких к заявляемому устройству по составу. Это осциллографический фазометр фаз по а.с. №1337608 /дополнительному к упомянутому выше а.с. №1247778/ и осциллографический анализатор спектра по а.с. №1626241 /G01R 25/00, БИ №5, 1991, заявка 4639020/21 от 22.11.88/, осуществляющие поиск по частоте и визуальное представление характеристик /несущей частоты и параметров модуляции/ сигналов с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией /а.с. №1626241/. Фазометр по а.с. №1337808 содержит генератор развертки, гетеродин, смеситель, УПЧ, ключ, линию задержки, накопитель, генератор опорного напряжения, фазовращатель на 90°, два усилителя, ограничитель, а также перемножитель, полосовой фильтр и три электронно-лучевые трубки (ЭЛТ).
Анализатор по а.с. №1626241 содержит генератор развертки, гетеродин, смеситель, УПЧ, ключ, линию задержки, обнаружитель, генератор опорного напряжения, фазовращатель на 90°, два усилителя, перемножитель, узкополосный фильтр, два умножителя частоты на восемь, два делителя частоты на восемь, два полосовых фильтра, блок регулируемой задержки, фазовый детектор, управляющий блок, два частотных детектора, два дифференцирующих блока, амплитудный детектор, генератор пилообразного напряжения, выпрямитель и три ЭЛТ. Накопитель в фазометре и обнаружитель в анализаторе выполняют одни и те же функции обнаружения поступающего на вход ФМн сигнала и выработки сигнала-признака приема для постановки гетеродина в момент приема и имеют идентичное построение. Они содержат три параллельно включенных умножителя частоты /на два, четыре и восемь/, измерители ширины спектра входного и выходных сигналов умножителей, блоки сравнения выходных сигналов этих измерителей, пороговые элементы, трехвходовый элемент ИЛИ. Как видно из состава накопителя /обнаружителя/, он рассчитан на обработку только сигналов с одинаковыми фазовыми интервалами между соседними позициями /равными π, π/2 и π/4 для ФМн-2, ФМн-4 и ФМН-8 соответственно/ и не предусматривает возможности обнаружения сигналов с различными межпозиционными интервалами, не равными вышеуказанным, что характерно для сигналов с КАМ. Это ограничивает область применения охарактеризованных фазометра и анализатора.
Известны и другие примеры устройств для демодуляции АФМн /в том числе и КАМ/ сигналов, решающие те или иные частные задачи повышения качества приема информации /цифровой демодулятор АМ-ЧМ и ФМ сигналов по пат. США №4853944, H04L 27/06 от 1.08.89, снабженный цифровым сигнальным процессором; устройство для приема сигналов с частотно-фазовой модуляцией по а.с. №1450130, Н04L 27/22 от 89.01.07, содержащее частотный детектор, блоки задержки, интеграторы, ключи, смеситель, фазовый детектор, АЦП, блок выделения несущей, фильтр, детектор огибающей, блоки коррекции и пороговый блок; система для передачи и приема сигналов с многопозиционной квадратурной модуляцией по пат. США №4899367, Н04В 7/005, 1990, содержащая средства компенсации замираний, схема восстановления несущей входного сигнала, модулированного по фазе и амплитуде по пат. США №4567498, Н03D 3/00, 86.05.06, приоритет Франции от 7.03.1983; демодулятор со схемой АРУ для несущей волны с многоуровневой квадратурной амплитудной модуляцией по пат. США №4574246, Н04D 3/00, 86.03.04, приоритет Японии 16.03.1983; способ и устройство для обработки сигнала с квадратурной модуляцией по пат. США №49104678, Н04В 1/26, 1990/, но они не предназначаются для приема сигналов с многими априорно неизвестными параметрами /несущая частота, тип модуляции и число позиций, таковая частота/ и не могут решить поставленную задачу обнаружения и анализа таких сигналов.
В качестве прототипа принят осциллографический фазометр по а.с. №1337808, решающий аналогичную задачу поиска в заданном диапазоне частот сигналов с ФМн, AM и с комбинированной АМ-ФМн и визуальную оценку их основных параметров. Фазометр содержит последовательно соединенные генератор развертки, электронный коммутатор, гетеродин, смеситель, второй вход которого соединен с входом фазометра, УПЧ, амплитудный ограничитель и накопитель, второй вход которого через линию задержки соединен с его выходом, а выход соединен с вторым входом электронного коммутатора и вертикальным электродом первой ЭЛТ, горизонтальный электрод которой соединен с выходом генератора развертки. К выходу ограничителя последовательно подключены ключ, второй вход которого соединен с выходом накопителя, перемножитель, второй вход которого соединен с входом фазометра, полосовой фильтр и вертикальный электрод второй ЭЛТ, горизонтальный электрод которой подключен к выходу генератора развертки. К выходу генератора опорного напряжения последовательно подключены фазовращатель на 90°, первый усилитель и горизонтальный электрод третьей ЭЛТ, вертикальный электрод которой через второй усилитель соединен с выходом генератора опорного напряжения, а управляющий электрод соединен с выходом ключа.
Фазометр-прототип работает следующим образом.
Просмотр заданного диапазона частот осуществляется с помощью генератора развертки, который периодически по пилообразному закону перестраивает частоту гетеродина и одновременно формирует горизонтальную развертку первой и второй ЭЛТ. Эта развертка в первой ЭЛТ используется как ось частот, длина которой соответствует полосе обзора частотного диапазона. При поступлении сигнала на вход фазометра на выходе смесителя образуется напряжение комбинационных частот, из которых на выходе УПЧ выделяется напряжение только промежуточной частоты, которое подается на ограничитель. На выходе ограничителя образуется напряжение, в котором амплитудная модуляция устранена и присутствует только фазовая манипуляция. Этот сигнал поступает на вход накопителя. Накопитель содержит первый, второй и третий умножители частоты /на два, четыре и восемь соответственно/ и анализатор спектра входного сигнала, объединенные входы которых являются входом накопителя; первый, второй и третий анализаторы спектра, включенные на входах соответствующих умножителей, первый, второй и третий блоки сравнения, вторые входы которых соединены с выходом анализатора спектра входного сигнала, первый, второй и третий пороговые элементы, вторые входы которых объединены и являются вторым входом накопителя, и трехвходовый элемент ИЛИ, выход которого является выходом накопителя.
Если на вход накопителя поступает сигнал с однократной фазовой манипуляцией /0-π/, то на выходах первого, второго и третьего умножителей частоты образуются сигналы с удвоенной, учетверенной и увосьмеренной разностью фаз между позициями сответственно /то есть 0-2π, 0-4π, 0-8π/; таким образом, на выходе умножителей манипуляция фазы уже отсутствует. Ширина спектра второй Δf2, четвертой Δf4 и восьмой Δf8 гармоник при этом определяется длительностью принимаемого сигнала τc (Δf2,4,8 ˜1/τc), тогда как ширина спектра Δfc ФМн-сигнала определяется длительностью его элементарных посылок (Δfc˜1/τп),то есть ширина спектра указанных гармоник значительно меньше ширины спектра входного сигнала. Ширина спектра Δfc входного сигнала измеряется с помощью анализатора спектра входного сигнала, ширина спектра второй Δf2, четвертой Δf4 и восьмой Δf8 гармоник сигнала измеряется с помощью соответствующих анализаторов спектра умноженных сигналов. Напряжения U1, U2, и U3 с выходов анализаторов спектра умноженных сигналов, пропорциональные Δf2, Δf4 и Δf8 соответственно, поступают на первые входы блоков сравнения, на вторые входы которых подается напряжение Uс выхода анализатора спектра входного сигнала, пропорциональное Δfc. Так как U>>U1, U>>U2, U>>U3, то на выходе блоков сравнения образуются положительные импульсы, которые превышают пороговый уровень в соответствующих пороговых элементах и через элемент ИЛИ поступают на выход.
Если на вход накопителя поступает сигнал с двукратной ФМн (0, π/2, π, 3π/2), то на выходе первого умножителя на два образуется фазоманипулированный сигнал, а на выходе второго и третьего умножителей частоты на четыре и восемь образуются колебания без манипуляции фазы.
Если на вход накопителя поступает сигнал с трехкратной фазовой манипуляцией (0, π/4, π/2, 3π/4, π, 5π/4, 3π/2, 7π/4), то свертка его спектра осуществляется только на выходе третьего умножителя частоты на восемь. При этом положительное напряжение формируется только на выходе третьего блока сравнения. В результате срабатывания одного или нескольких пороговых элементов на выходе накопителя и, соответственно, на экране первой ЭЛТ образуется сигнал /частотная метка/, положение которого на горизонтальной развертке определяет несущую частоту принимаемого сигнала.
Для визуальной оценки величины скачков фазы и кратности фазовой манипуляции принимаемого сигнала используется третья ЭЛТ с круговой разверткой, формируемой с помощью генератора опорного напряжения, частота которого равна промежуточной частоте принимаемого сигнала. Принимаемый ФМн-сигнал с выхода ограничителя через открытый ключ поступает на управляющий электрод третьей ЭЛТ с круговой разверткой луча и осуществляет модуляцию его яркости. В результате на экране этой ЭЛТ образуется изображение в виде нескольких ярких точек, расположенных на окружности постоянного радиуса. Количество точек определяет кратность фазовой манипуляции, а угловое расстояние между ними равно величине скачков фазы принимаемого сигнала. При неравенстве частоты опорного генератора промежуточной частоте принимаемого сигнала яркостные метки будут сдвигаться по окружности с разностной частотой.
Для визуальной оценки модулирующей функции амплитудной модуляции принимаемого AM- ФМн-сигнала используется вторая ЭЛТ с линейной разверткой. При этом преобразованный в смесителе ФМн-сигнал промежуточной частоты с выхода ограничителя через открытый ключ поступает на вход перемножителя, на другой вход которого подается принимаемый АМ-ФМн-сигнал несущей частоты с входа фазометра. В результате перемножения этих сигналов на выходе перемножителя образуется набор комбинационных колебаний, из которого полосовым фильтром выделяется сигнал разностной частоты, равной частоте гетеродина, в котором фазовая манипуляция уже отсутствует, а присутствует только амплитудная модуляция. Этот сигнал с выхода полосового фильтра поступает на вертикальный электрод второй ЭЛТ, на горизонтальный электрод которой подается напряжение с выхода генератора развертки.
Время задержки линии задержки выбрано таким, чтобы можно было визуально оценить основные параметры принимаемого АМ-ФМн-сигнала, наблюдая осциллограммы на экранах ЭЛТ.
По истечении этого времени напряжение с выхода линии задержки поступает на вход сброса накопителя и сбрасывает его пороговые элементы в начальное состояние. При этом ключ закрывается, а электронный коммутатор переводится в исходное состояние, при котором гетеродин оказывается подключенным к выходу генератора развертки; с этого момента просмотр заданного частотного диапазона и поиск AM-ФМн-сигналов возобновляется. В случае обнаружения следующего АМ-ФМн-сигнала фазометр работает аналогично.
Таким образом, данный фазометр-прототип позволяет обеспечить поиск в заданном диапазоне частот сигналов с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией и визуальную оценку их основных параметров. Однако рассмотренному фазометру присущи некоторые недостатки, обусловленные выбранным построением его отдельных элементов и устройств и ограничивающие его функциональные возможности по обнаружению и анализу многопозиционных АФМн-сигналов различной структуры. Основным недостатком прототипа является невозможность обнаружения фазоманипулированных сигналов с межпозиционными фазовыми интервалами, некратными π/4, то есть практически всех ФМн- и АФМн-сигналов с числом позиций более восьми /кроме отдельных эквифазных ансамблей, в которых выполняется это условие, как в ансамбле АФМн-16 на фиг.1а/, в том числе всех КАМ-сигналов, у которых ряд величин фазовых интервалов находится в некратных соотношениях и снятие фазовой манипуляции путем умножения частоты не обеспечивается. Так например, для КАМ-16 /фиг.1д/ интервалы между соседними градациями по фазе имеют величины δФ1=2arctg 1/3 и δФ2=7 p04-arctg 1/3 и не могут быть соЭЛТестно приведены к величине, кратной 2π, умножением на какое-либо целое /или хотя бы рациональное/ число; тем более это невозможно для КАМ-сигналов с большим числом позиций, все более широко используемым в радиолиниях передачи дискретной информации. При поступлении таких сигналов на фазометр-прототип и прохождении их через умножители частоты в накопителе /обнаружителе/ происходит лишь видоизменение фазовой манипуляции, а не снятие ее, в связи с чем сужения спектра сигнала на выходах умножителей по сравнению со спектром входного сигнала не происходит, напряжения на выходах анализаторов спектра входных и умноженных сигналов оказываются практически одинаковыми и в последующих блоках сравнения не будут формироваться сигналы /положительные импульсы/, превышающие пороговый уровень в пороговых элементах. Соответственно не будет происходить срабатывание этих пороговых элементов и накопитель не будет выдавать сигнал на остановку перестройки гетеродина, индикацию частоты сигнала и включение анализа. Таким образом, все разновидности ансамблей многопозиционных АФМн-сигналов, в которых фазовые интервалы между позициями не кратны π/4, в том числе большинство КАМ-сигналов, не будут обнаруживаться и анализироваться фазометром-прототипом. К числу недостатков прототипа можно также отнести следующее:
- раздельное представление данных /на отдельных ЭЛТ/ о параметрах фазовой и амплитудной модуляции затрудняет идентификацию вида ансамбля анализируемого АФМн-сигнала;
- использование для визуального представления закона амплитудной модуляции на второй ЭЛТ линейной развертки от генератора развертки с частотой, несинхронизированной /и в общем случае некратной/ с тактовой частотой сигнала, будет затруднять визуальное различение характера изменения амплитуды сигнала, если общее время остановки перестройки для визуального анализа превышает длительность одного цикла частотной перестройки, ввиду хаотического положения изображений этих изменений на смежных циклах развертки; сходная картина может получиться и на первой ЭЛТ. Заметим, что в другом близком аналоге - осциллографическом анализаторе спектра по а.с. №1626241 - генератор развертки останавливается выходным сигналом обнаружителя в момент приема анализируемого сигнала на время его анализа, при этом останавливается и частотная развертка на ЭЛТ в точке, соответствующей частоте сигнала;
- условие равенства частоты генератора опорного напряжения частоте принимаемого сигнала на выходе УПЧ с точностью хотя бы долей герца, необходимое для осуществления визуальной оценки величины скачков фазы и кратности фазовой манипуляции по количеству ярких точек на круговой развертке и угловым расстояниям между ними, является трудновыполнимым, особенно с учетом того, что для приема АФМн-сигналов с обычной для них длительностью элементарных посылок порядка десятков и сотен не необходимо иметь полосу пропускания УПЧ не менее нескольких МГц при центральной частоте не менее десятков МГц. При этом трудно рассчитывать на то, что при остановке перестройки гетеродина /в момент срабатывания накопителя и в течение последующего времени анализа/ частота преобразованного сигнала с точностью до долей герца будет равна фиксированной частоте генератора опорного напряжения.
В вышеупомянутом устройстве - аналоге по а.с. №1626241, использующем то же метод визуальной оценки параметров ФМн-сигналов, для получения устойчивой осциллограммы на экране ЭЛТ должна применяться система ФАПЧ генератора опорного напряжения /являющегося, по существу, когерентным гетеродином/, однако для ее функционирования необходимо наличие опорного сигнала с частотой, точно равной частоте принимаемого сигнала /на выходе УПЧ, Такой опорный сигнал может быть получен из принимаемого сигнала в результате снятия его фазовой манипуляции путем умножения частоты, но только для ФМн- и АФМн-сигналов с кратными фазовыми интервалами, что не решает задачу приема и анализа сигналов с КАМ.
Перечисленные особенности построения осциллографического фазометра-прототипа ограничивают его функциональные возможности при решении задач поиска и анализа многопозиционных АФМн-сигналов различных видов, особенно таких, ансамбли которых построены на основе квадратной или треугольной решеток /КАМ-сигналы/ с некратными фазовыми интервалами.
Задачей, на разрешение которой направлено изобретение, является устранение этого недостатка, то есть расширение функциональных возможностей фазометра путем обеспечения обнаружения и визуальной оценки основных характеристик многопозиционных сигналов с амплитудно-фазовой манипуляцией и априорно неизвестными параметрами, в том числе сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией /КАМ-сигналов/.
Эта задача решается за счет того, что в осциллографический измеритель фаз, содержащий последовательно соединенные управляемый генератор развертки, гетеродин, смеситель, второй вход которого является входом измерителя фаз, и УПЧ, а также обнаружитель, блок выдержки времени, ключ, ограничитель, фазовращатель на 90°, перемножитель и три ЭЛТ, причем выход обнаружителя подключен к входам блока выдержки времени и управляемого генератора развертки, к вертикально-отклоняющему электроду первой ЭЛТ и к управляющему входу ключа, а выход блока выдержки времени соединен с управляющим входом /входом сброса/ обнаружителя, введены второй перемножитель, два фильтра нижних частот, две управляемые линии задержки, детектор огибающей, два дифференцирующих блока, два элемента ИЛИ, элемент И, генератор ждущей развертки и блок управления задержкой, выход управляемого генератора развертки соединен с горизонтально-отклоняющим электродом первой ЭЛТ, выход УПЧ подключен к вторым /сигнальным/ входам обнаружителя и ключа, выход которого через последовательно включенные ограничитель, фазовращатель на 90°, перемножитель и фильтр нижних частот соединен с горизонтально-отклоняющим электродом второй ЭЛТ, выход ограничителя через последовательно соединенные второй перемножитель и второй фильтр нижних частот подключен к вертикально-отклоняющему электроду второй ЭЛТ, выход ключа через управляемую линию задержки соединен с детектором огибающей и вторыми входами упомянутых перемножителей, выходы упомянутых фильтров нижних частот через соответствующие им первый и второй дифференцирующие блоки подключены к входам первого элемента ИЛИ, выход которого через вторую управляемую линию задержки и элемент И соединен с входом генератора ждущей развертки, выходом подключенного к горизонтально-отклоняющему электроду третьей ЭЛТ, вертикально-отклоняющий электрод которой соединен с выходом второго элемента ИЛИ, входами подключенного к выходам детектора огибающей и элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ, а выход подключен к входу блока управления задержкой, второй вход которого соединен с выходом блока выдержки времени, а выход подключен к вторым входам управляемых линий задержки.
Блок управления задержкой содержит генератор счетных импульсов и последовательно соединенные элемент задержки, элемент "запрет" /нормально открытый ключ/, триггер, второй элемент И, второй вход которого подключен к выходу генератора счетных импульсов, счетчик, дешифратор, третью управляемую линию задержки, третий элемент И, второй вход которого объединен с входом элемента задержки и со вторым /сигнальным/ входом третьей управляемой линии задержки и является первым входом блока, второй триггер и четвертый элемент И, второй вход которого соединен с выходом дешифратора, а выход является выходом блока, при этом второй вход /вход сброса/ первого триггера и второй /запрещающий/ вход элемента "запрет" объединены и подключены к выходу второго триггера, вторые входы /входы сброса/ счетчика и второго триггера объединены и образуют второй вход блока управления задержкой.
Сущность изобретения заключается в изменении построения отдельных составных частей измерителя фаз, выполняющих функции: а/ создания опорного напряжения для определения фазовых характеристик анализируемого сигнала, б/ формирования линейной развертки для определения амплитудно-временных характеристик сигнала, и в/ формирования и отображения амплитудно-фазовой структуры /ансамбля/ сигнала путем введения ряда дополнительных элементов, определенным образом соединенных и обеспечивающих совместно с уже имеющимися в фазометре узлами и блоками выполнение вышеуказанных процедур и адаптивную настройку каналов определения амплитудно-фазовых и временных характеристик сигналов на априорно неизвестную тактовую частоту сигнала.
При этом введение линий задержки сигналов на промежуточной частоте и на видеочастоте, имеющих одинаковое время задержки, дифференцирующих блоков, элементов И, ИЛИ и генератора ждущей развертки, обеспечивает устойчивое отображение и визуальную оценку тактовой частоты и параметров /уровней/ амплитудной манипуляции в широком диапазоне их значений, а введение блока управления задержкой и выполнение линий задержки управляемыми позволяет произвести адаптивную подстройку величины задержки этих линий до длительности элементарной посылки принимаемого АФМн-сигнала и оптимизировать тем самым наблюдаемость изображения совокупности амплитудно-фазовых характеристик /количества и соотношений градаций по амплитуде совместно с соответствующими им межпозиционными фазовыми интервалами/ анализируемого сигнала на экране второй ЭЛТ.
Таким образом, отличительные существенные признаки в совокупности с введенными новыми связями обеспечивают достижение требуемого технического результата: обеспечение возможности обнаружения и визуальной оценки основных характеристик многопозиционных сигналов амплитудно-фазовой манипуляцией и априорно неизвестными параметрами, в том числе сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией.
Построение и порядок работы предлагаемого устройства поясняются последующим подробным описанием, схемами и эпюрами напряжений с приведением временного расположения сигналов /импульсов/ в характерных точках схемы.
Перечень фигур:
На фиг.1 приведено несколько примеров ансамблей многопозиционных сигналов.
На фиг.2 представлена структурная схема предлагаемого осциллографического фазометра.
На фиг.3 - схема блока управления задержкой.
На фиг.4 показан вид изображений /осциллограммы/ на экранах ЭЛТ при анализе АФМн-сигнала типа КАМ.
На фиг.5 - эпюры напряжений, поясняющие процесс адаптивной подстройки величины
задержки радио- и видеосигналов в управляемых линиях задержки.
Измеритель фаз содержит последовательно включенные генератор 1 развертки /ГР/, перестраиваемый гетеродин 2 /ГЕТ/, смеситель 3 /CM/, второй вход которого является входом фазометра, усилитель 4промежуточной частоты /УПЧ/, обнаружитель 5 /ОБН/ и блок выдержки времени 6 /БВВ/, выход которого соединен также с управляющим входом генератора 1 развертки, с вертикально-отклоняющим электродом электронно-лучевой трубки /ЭЛТ/ 7, горизонтально-отклоняющий электрод которой подключен к выходу генератора 1 развертки, и с управляющим входом нормально закрытого ключа 8 /НЗК/, второй /сигнальный/ вход которого подключен к выходу УПЧ 4. К выходу нормально закрытого ключа 8 подключены последовательно соединенные амплитудный ограничитель 9 /ОГР/, фазовращатель на 90° 10 /ФВ/ и перемножитель 11 /ПМН/, к выходу ограничителя 9 подключен второй перемножитель 12 /ПМН/, вторые входы перемножителей 11 и 12 через управляемую линию задержки 13 /УЛЗ/ подсоединены к выходу ключа 8, а выходы через фильтры нижних частот /ФНЧ/ 14 и 15 - к горизонтально- и вертикально-отклоняющим электродам второй ЭЛТ 16. К выходам фильтров нижних частот 14 и 15 подключены также дифференцирующие блоки /ДИФ/ 17 и 18, выходы которых через элемент ИЛИ 19 подключены к входам второй управляемой линии задержки 20 /УЛЗ/ и элемента И 21, второй вход которого соединен с выходом второй линии задержки 20. К выходу управляемой линии задержки 13 последовательно включены детектор огибающей 22 /ДОГ/, второй элемент ИЛИ 23, второй вход которого соединен с выходом элемента И 21, и вертикально-отклоняющий электрод которой через генератор ждущей развертки 25 /ГЖР/ соединен с выходом элемента И 21, к которому подключен также блок 26 управления задержкой /БУЗ/, второй вход которого соединен с выходом блока 6 выдержки времени, а выход подключен к вторым входам управляемых линий задержки 13 и 20.
Блок управления задержкой 26 выполняет функцию выработки управляющего сигнала для адаптивной подстройки величины задержки сигналов в управляемых линиях задержки 13 и 20 до длительности элементарной посылки /дискрета/ принимаемого сигнала и может быть выполнен различным образом. В приведенном примере построения /фиг.3/ блок 26 содержит генератор счетных импульсов 27 /ГСИ/ и последовательно соединенные элемент задержки 28 /ЭЗ/, элемент 29 "запрет" - нормально открытый ключ /НОК/, триггер 20 /Т/, второй элемент И 31, второй вход которого подключен к выходу генератора счетных импульсов 27, счетчик 32 /СЧ/, дешифратор 33 /ДШ/, третью управляемую линию задержки 34 /УЛЗ/, третий элемент И 35, второй вход которого объединен с входом элемента 28 задержки и с вторым /сигнальным/ входом третьей линии задержки 34 и является первым входом блока 26 управления задержкой, второй триггер 36 /Т/ и четвертый элемент И 37, второй вход которого соединен с выходом дешифратора 33, а выход является выходом блока 26 управления задержкой, при этом второй вход /вход сброса/ первого триггера 30 и второй /запрещающий/ вход элемента 29 "запрет" объединены и подключены к выходу второго триггера 36, вторые входы /входы сброса/ счетчика 32 и второго триггера 36 объединены и образуют второй вход блока 26 управления задержкой.
Возможны и другие варианты выполнения блока 26, например, в виде измерителя временных интервалов между импульсами, поступающими на его вход, с последующим преобразованием результата измерения /показателя соответствующего счетчика/ в управляющий сигнал для установки величины задержки управляемых линий 13 и 20, равный измеренному интервалу.
Генератор 1 развертки может быть выполнен, например, в виде последовательно соединенных генератора счетных импульсов, нормально открытого ключа /или элемента "запрет"/, второй управляющий /запрещающий/ вход которого является управляющим входом генератора 1 развертки, счетчика и преобразователя код-напряжение, с выхода которого снимается управляющий сигнал для перестройки частоты гетеродина 2.
Гетеродин 2 выполняется в виде генератора радиочастотных колебаний, управляемого напряжением, например на диоде Ганна или на транзисторе с варикапом в контуре. Обнаружитель 5 представляет собой детектор огибающей с включенным на его выходе пороговым элементом, например, триггером, вход сброса которого может подключаться к выходу блока 6 выдержки времени /например, содержащего линию задержки, аналогичную таковой в прототипе/, имеющего на выходе формирователь импульса сброса определенной установленной длительности, например, в виде мультивибратора.
Перемножители 11 и 12 выполняются на стандартных микросхемах, в частности в данном фазометре использованы интегральные микросхемы К174ПС4. Управляемые линии задержки 13, 20 и 34 выполняются в виде многоотводной линии или кабеля задержки или набора последовательно включенных элементов задержки с отводами, коммутируемыми управляющим сигналом /кодом/, величина шага перестройки задержки может быть порядка минимальной длительности элементарной посылки из возможного диапазона х значений для анализируемых АФМн-сигналов.
Остальные узлы и элементы схемы заявляемого фазометра /смеситель 3, УПЧ 4, дифференцирующие блоки 17 и 18, детектор огибающей 22, элементы коммутации и цифровой логики - И, ИЛИ, "запрет" или ключи и др./ выполняются на базе обычных радиотехнических и цифровых элементов и схем широкого применения, описанных в общедоступной технической в том числе справочной литературе, и аналогичны используемым в прототипе и ближайших аналогах.
Принцип работы предлагаемого осциллографического измерителя фаз основан на поиске в заданном диапазоне частот сигнала с амплитудной, фазовой и комбинированной амплитудно-фазовой манипуляцией и визуальной оценке основных его параметров: несущей частоты, вида модуляции, тактовой частоты, или длительности элементарной посылки, количества и соотношений амплитудных градаций, величины скачков фазы + на экранах трех ЭЛТ.
Измеритель фаз работает следующим образом.
Просмотр заданного диапазона частот осуществляется с помощью генератора 1, который периодически по пилообразному закону перестраивает частоту гетеродина 2 и одновременно формирует горизонтальную развертку ЭЛТ 7, которая используется как ось частот, причем ее длина соответствует полосе обзора частотного диапазона. Ключ 6 в исходном состоянии закрыт. Напряжение гетеродина 2 линейно-изменяющейся частоты подается на первый вход смесителя 3, на другой вход которого поступает принимаемый AM, ФМн или АФМн-сигнал. В момент настройки приемного тракта /гетеродин-смеситель УПЧ/ на частоту сигнала, то есть выполнения условия равенства разности/или суммы/ частот сигнала и гетеродина промежуточной частоте, на выходе УПЧ 4 появляется напряжение, которое в случае превышения им порогового уровня в обнаружителе 5, выбираемого с учетом того, чтобы этот уровень не превышался случайными помехами, воздействует на управляющий вход генератора 1 развертки, прекращая перестройку гетеродина 2, на вход блока 6 выдержки времени, на управляющий вход нормально закрытого ключа 8, открывая его, на вертикально-отклоняющий электрод ЭЛТ 7, образуя на ее экране импульс /частотную метку/, положение которого на горизонтальной развертке /образующей совместно с соответствующей шкалой ось частот/ однозначно определяет несущую частоту принимаемого сигнала /фиг.4а/.
Принимаемый АФМн-сигнал с выхода УПЧ 4 через открытый ключ 8 поступает на амплитудный ограничитель 9, на выходе которого образуется напряжение, в котором амплитудная модуляция устранена и присутствует только фазовая манипуляция. Это напряжение подается на перемножитель 12 и через фазовращатель 10 - на перемножитель 11, на вторые входы которых через управляемую линию 13 задержки с выхода ключа 8 подается принимаемый сигнал промежуточной частоты, в котором присутствует как фазовая, так и амплитудная манипуляция. Величина задержки сигнала в управляемой линии задержки 13 /и в других управляемых линиях задержки - 20 и 34/ в выходном состоянии - при отсутствии или "нулевом" значении управляющего сигнала, /соответствующем исходному положению счетчика 32 и дешифратора 33/ - равна минимальной из употребляемых и анализируемых АФМн-сигналах длительности элементарной посылки τмин.
Если длительность элементарной посылки /дискрета/ τд принимаемого АФМн-сигнала равна времени задержки управляемых линий 13, 20 и 34 /то есть, при нахождении этих линий в исходном состоянии - минимальна/, то на вторые входы перемножителей 11 и 12 сигнал поступает смещенным /задержанным/ во времени относительно сигнала на их первых входах на длительность одной элементарной посылки, так что разность фаз сигналов на первых и вторых входах перемножителей 11 и 12 остается постоянной в течение всей длительности посылки и равной одному из возможных для данного ансамбля сигналов значений межпозиционного фазового интервала - для перемножителя 12 и равной этому же значению плюс 7р0/2 - для перемножителя 11; амплитуды сигналов на выходах фильтров нижних частот 14 и 15, выделяющих низкочастотную составляющую произведений сигналов на текущий и задержанной позициях, при этом пропорциональны произведению амплитуды сигнала задержанной позиции на синус или косинус данного значения межпозиционного фазового интервала /Uвых х=кU0Uci-1CosΔФi; Uвых у=kUoUсш-1 SinΔФi, где ΔФi=Фi-Фi-1; Фi, Фi-1 - значения фаз сигнала на текущей, i-той и предыдущей, i-1-ой позициях, Uвых х - напряжение сигнала на выходе ограничителя 9, Uci-1 - напряжение сигнала на предыдущей /задержанной/ позиции, снимаемое с выхода УЛЗ 13, к - коэффициент передачи цепочки перемножитель - ФНЧ /11-14 и 12-16//.
В результате подачи этих напряжений с выходов фильтров нижних частот 14 и 16 на горизонтально- и вертикально-отклоняющие электроды ЭЛТ 16 на ее экране образуется отметка, положение которой в полярных координатах соответствует данному сочетанию амплитуды дискрета и разности фаз между соседними дискретами /позициями сигнала/. С приходом следующей элементарной посылки напряжения на выходах цепочек перемножитель-ФНЧ 11-14 и12-15 и определяемое ими положение луча на экране ЭЛТ 16 скачкообразно изменяется в соответствии с новым сочетанием амплитуды сигнала на данной позиции и фазового интервала.
С учетом того, что в современных линиях передачи дискретных сообщений сигнал рандомизируется путем операции скремблирования и в передаваемом сигнале все позиции ансамбля становятся практически равновероятными, формирование изображения всех возможных сочетаний амплитуд и межпозиционных фазовых интервалов для ансамбля принимаемого АФМн-сигнала на экране ЭЛТ 16 происходит за время, заведомо не превышающее 3-4 τп С2 m, где τп - длительность элементарной посылки, что даже при относительно невысокой тактовой частоте /0,5-1 МГц/ и максимальном из упомянутых в литературе числе позиций КАМ-сигналов /т=512/ составит не более 0,5-1 с; для реально используемых ансамблей, обладающих симметрией вращения, часть сочетаний будет давать совпадающие отметки на экране ЭЛТ и результирующее их количество будет значительно меньше. Например, для ансамбля сигнала КАМ-16 число точек /отметок/ на экране будет 44, для ансамблей АФМ-16, показанных на фиг.1в и 1г - 32.
Таким образом, в процессе приема и обработки анализируемого АФМн-сигнала луч на экране ЭЛТ 16 будет пробегать ряд дискретных положений, совокупность которых отображает все возможные для данного ансамбля сигналов сочетания амплитуд и разностей фаз и однозначно характеризует вид модуляции, количество и соотношения амплитудных градаций, величины межпозиционных фазовых интервалов. На фиг.4б,в показаны изображения совокупности дискретных положений луча на экране ЭЛТ 16, возникающие в случаях приема сигналов с АФМ-16 вида, показанного на фиг.1в, и КАМ-сигнала, показанного на фиг.1е /фиг.4б и 4в соответственно/. Как видно, получаемые изображения этих видов сигналов легко различимы и позволяют непосредственно по экрану определять количество и соотношения величин амплитудных и фазовых градаций сигнала для его распознавания путем идентификации с каким-либо из набора образцов /эталонных изображений/ различных возможных типов модуляции.
В моменты скачкообразного изменения напряжения на выходах фильтров нижних частот 14 и 15, соответствующие границам дискретов и следующие с тактовой частотой принимаемого АФМн-сигнала, дифференцирующие блоки 17 и 18 формируют короткие импульсы, поступающие через элемент ИЛИ 19 на вторую управляемую линию задержки 20 и на элемент И 21, на другой вход которого подаются задержанные импульсы с выхода линии 20. Так как в рассматриваемом случае время задержки сигнала в управляемой линии задержки 20, находящейся в исходном состоянии /соответствующем "нулевому" сигналу на ее управляющем входе/ равно длительности дискрета, то есть интервалу между последовательными импульсами на объединенных через элемент ИЛИ 19 выходах дифференцирующих блоков 17 и 18, импульсы на обоих входах элемента И 21 совпадают во времени и на его выходе образуется последовательность импульсов совпадений, следующих с тактовой частотой анализируемого АФМн-сигнала. Эти импульсы с выхода элемента И 21 поступают на генератор ждущей развертки 25 и производят периодический запуск напряжения /пилообразной или экспоненциальной формы/ горизонтальной развертки луча ЭЛТ 24 установленной длительности /например, равной 25-30 минимальным длительностям элементарной посылки/. Одновременно эти же импульсы через элемент ИЛИ 23 поступают на вертикально-отклоняющий электрод этой ЭЛТ и образуют последовательность вертикальных отметок на горизонтальной оси /оси времени/, отмечающих моменты перехода с одного дискрета на другой; интервалы между отметками /определяемые, например, по шкале/ равны длительности элементарной посылки анализируемого сигнала. Кроме того, на вертикально-отклоняющие пластины ЭЛТ 24 через элемент ИЛИ 23 подается сигнал огибающей амплитудной манипуляции с выхода детектора огибающей 22. Совместное отображение этих сигналов на экране ЭЛТ 24 позволяет определить тактовую частоту /и длительность дискрета/ принимаемого АФМн-сигнала, а также количество градаций по амплитуде, их соотношения и характер амплитудной модуляции. Пример изображения на экране ЭЛТ 24 сигнала КАМ-16 /при однократной развертке/ показан на фиг.4 г.
Последовательность импульсов с выхода элемента И 21, следующих с тактовой частотой сигнала, подается на блок управления задержкой 26, где она поступает на входы элемента задержки 28, управляемой линии задержки 34 (идентичной второй УЛЗ 20) и элемента И25. Поскольку в рассматриваемом случае интервал между последовательными импульсами равен минимальной длительности дискрета и соответствует величине задержки в УЛЗ 34 в исходном ее состоянии (при «нулевом» значении управляющего сигнала), поступающий импульс совпадает с последующим входным импульсом и на выходе элемента И 35 возникает сигнал, запускающий триггер 36, выходной сигнал которого поступает на запрещающий вход элемента 29 «Запрет» (нормально открытого ключа) и переводит его в закрытое состояние
В результате этого сигнал с выхода элемента 28 задержки не проходит на запуск триггера 30 (нормально закрытый ключ) остается в закрытом состоянии. При этом вырабатываемые генератором 27 счетные импульсы не поступают на счетчик 32, который вместе с дешифратором 33 остается в исходном «нулевом» состоянии; сигнал на перестройку управляемых линий задержки 13, 20 и 34 не вырабатывается, и они остаются в исходном состоянии, когда величина задержки минимальна (равна минимальной длительности дискрета).
В случае, когда длительность элементарной посылки принимаемого сигнала τд не равна минимальной τмин, выходные напряжения фильтров нижних частот 14 и 15 будут иметь дополнительный скачок амплитуды в пределах длительности элементарной посылки в момент, отстоящий от начала дискрета на величину задержки сигнала в УЛЗ 13 (на промежуточной частоте) фиг.5 а,б. Неравенство указанных выходных напряжений в пределах дискрета обусловлено тем, что на первом участке (в течение времени задержки в УЛЗ 13) величины этих напряжений пропорциональны произведениям амплитуды предшествующего (задержанного) дискрета на синус и косинус межпозиционного фазового интервала, как указывалось выше, а на втором участке (в течение вренмени, оставшегося до конца дискрета), когда на первые и вторые входы перемножителей 11 и 12 проступает сигнал, относящийся к одному и тому же дискрету, выходные напряжения ФНЧ 4 и 15 пропорциональны произведению амплитуды сигнала в текущем дискрете на синус и косинус фиксированного, обусловленного конструктивными факторами, фазового сдвига, который, в частности, может быть установлен равным нулю. В связи с наличием дополнительного скачка амплитуды в каждом из дискретов сигнала на выходах ФНЧ 4 и 15 в последующих дифференцирующих блоках 17 и 18 по каждому дискрету будут формироваться парные импульсы (фиг.5 б,г), разнесенные на время задержки УЛЗ 13 и следующие с тактовой частотой принимаемого АФМн-сигнала. Последовательности этих парных импульсов с выходов дифференцирующих блоков 17 и 18 объединяются элементом ИЛИ 19 (фиг.5д) и после прохождения через вторую (видеочастотную) линию задержки 20 и элемент И 21 преобразуются в поток одиночных импульсов, следующих с тактовой частотой, но сдвинутых относительно границ дискретов на время задержки УЛЗ 13 и 20 (фиг.5а) и обеспечивающих запуск генератора 25 ждущей развертки и индикацию временных параметров принимаемых сигналов на экране ЭЛТ 24 как описано выше. Однако индикация амплитудных параметров на ЭЛТ 24 и наблюдение изображения характеристик ансамбля анализируемого сигнала на ЭЛТ 15 при этом затруднены ввиду наличия дополнительных скачков амплитуды и снижения доли времени, в котором луч на ЭЛТ 16 находится в различных положениях, характеризующих совокупность фазовых и амплитудных градаций ансамбля сигнала. Это снижение, равное отношению времени задержки УЛЗ 13 к длительности дискрета анализируемого сигнала, для сигналов с относительно низкими тактовыми частотами может быть значительным и заметно ухудшить наблюдаемость изображения. Для исключения этого в фазометре производится автоматическая подстройка величины задержки управляемых линий 13 и 20 под величину длительности дискрета принимаемого сигнала с помощью блока 26 управления задержкой.
При поступлении с выхода элемента И 21 на вход блока 26 потока импульсов, сформированного как указано выше (фиг.5а), ввиду неравенства (превышения) импульсного интервала относительно величины задержки УЛЗ 34 и ее начальном состоянии срабатывания элемента И 35 не происходит и триггер 36 остается в исходном состоянии. При этом элемент 29 «Запрет» (нормально открытый ключ) открыт и входной импульс, задержанный элементом 28 на время, несколько превышающее максимальную длительность дискрета, поступает на вход триггера 30. Выходной сигнал этого триггера открывает нормально закрытый ключ (элемент И) 21 и на счетчик 32 начинают поступать счетные импульсы с выхода генератора 27 счетных импульсов. В соответствии с изменяющимся состоянием счетчика 32 изменяется и выходной сигнал дешифратора 33, являющийся управляющим сигналом для линии задаержки 34 и обеспечивающий постепенное увеличение величины задержки этой линии (например, путем переключния отводов) в темпе поступления счетных импульсов от генератора 27. Частота генератора счетных импульсов 27 выбирается несколько меньшей, чем минимальная из применяемых и анализируемых АФМн-сигналов радиолиний метрового и более коротких диапазонов волн.
При достижении условия равенства времени задержки линии 34 величине межимпульсного интервала входного потока импульсов совпадения (фиг.5а), то есть величине длительности элементарной посылки принимаемого сигнала, импульсы на обоих входах элемента И 35 соЭЛТещаются во времени и проходят на его выход. Выходной импульс элемента И 35 запускает триггер 36, который своим выходным сигналом сбрасывает триггер 30, вследствие чего закрывается ключ (элемент И) 31, прекращая поступление счетных импульсов на счетчик 32 и фиксируя тем самым величину управляющего сигнала на выходе дешифратора 33, закрывает нормально открытый ключ (элемент «Запрет») 29, предотвращая этим повторный запуск триггера 30, и открывает нормально зарытый ключ (элемент И) 37, вследствие чего управляющий сигнал с выхода дешифратора 33 проходит на выход блока управления задержкой 26 и поступает на управляющие входы линий задержки 13 и 20, устанавливая величину задержки сигнала в этих линиях равной дискрету принимаемого АФМн-сигнала.
При этом поток импульсов на выходе элемента И21 смещается во времени и становится синхронным с тактовой частотой принимаемого сигнала (фиг.5е). После этого фазометр работает, как описано выше для случая равенства длительности дискрета сигнала величине задержки в управляемых линиях 13, 20 и 34. Выполнение этого условия позволяет получать более различимое и устойчивое изображение структуры (взаимного расположения) позиций анализируемого сигнала на экране ЭЛТ 16, так как при этом устраняются скачки напряжения в сигналах на выходах ФНЧ 14 и 15 (фиг.5а,б) и луч находится в точке, соответствующей той или иной позиции сигнала, все время - в течение всей длительности элементарной посылки - а не части ее, как это имеет место при неравенстве времени задержки длительности дискрета.
Возможны различные варианты построения схемы блока 26 управления задержкой, например, в качестве счетных импульсов можно использовать импульсы входного потока, при этом из состава блока 26 исключается генератор счетных импульсов, один триггер и один элемент И. Другой пример выполнения блока 26 был упомянут выше. Ввиду возможной многовариантности построения внутренняя структура блока 26 управления задержкой не является существенной и поэтому выносится в дополнительный пункт формулы изобретения.
Величина задержки времени в блоке 6 (интервал между моментом запуска его выходным сигналом обнаружителя 5 и моментом появления сигнала на выходе блока задержки времени 6) выбирается такой, чтобы можно было визуально оценить основные параметры принимаемого АФМн-сигнала, наблюдая осциллограммы на экранах ЭЛТ 7,16 и 24. По истечении этого времени напряжение с выхода блока 6 времени задержки (например, в виде импульса с длительностью, соответствующей времени перестройки частоты гетеродина 2 на ширину полосы пропускания УПЧ 4) поступает на второй вход (вход сброса) обнаружителя 5 и переводит его в начальное состояние (например, путем сброса порогового элемента, как в прототипе и ближайших аналогах). При этом с управляющего входа генератора 1 развертки снимается напряжение остановки развертки и возобновляется выдача сигнала перестройки гетеродина 2 по частоте, а ключ 8 переходит в закрытое состояние. Кроме того, выходной сигнал блока 6 выдержки времени поступает на второй вход (вход сброса) блока 26 управления задержкой и переводит его в начальное состояние, снимая тем самым управляющий сигнал с управляемых линий задержки 13 и 20 и приводя их также в исходное состояние, когда величина задержки равна минимальной длительности дискрета.
После подачи напряжения перестройки на гетеродин 2 и перевода обнаружителя 5, ключа 8, блока 26 управления задержкой и управляемых линий 13 и 20 в исходное состояние просмотр частотного диапазона и поиск АФМн-сигналов продолжается. В случае обнаружения следующего АФМн-сигнала измеритель фаз работает аналогично.
По предлагаемому осциллографическому измерителю фаз на предприятии - месте работы одного из авторов изобретения выполнено эскизное проектирование, в ходе которого разработана функциональная схема измерителя фаз и выбраны основные параметры и методы технической реализации элементов и узлов (блоков) этой схемы, разработаны электрические схемы некоторых основных узлов (перемножителя с ФНЧ и блока управления задержкой) произведена экспериментальная лабораторная проверка их функционирования, выполнено имитационное математическое моделирование процесса обработки сигнала в тракте измерителя фаз и определены точностные показатели анализа параметров сигнала.
Результаты экспериментальной проверки и математического моделирования подтверждают возможность технической реализации и успешного решения поставленной задачи обнаружения и анализа амплитудно-фазоманипулированных сигналов с априорно неизвестными параметрами и различными видами модуляции (различными ансамблями сигналов), в том числе и с квадратурной амплитудной модуляцией.
Источники информации
1. Окунев Ю.В. Цифровая передача информации фазомодулированными сигналами. - М.: Радио и Связь, 1991, 296 с.
2. Ванкет В.Л., Лысенко Л.А. Амплитудно-фазоманипулированные сигналы в системах передачи дискретных сообщений. Зарубежная радиоэлектроника, №9, 1980.
3. Захарченко Н.В., Нудельман П.Н., Кононович В.Г. Основы передачи дискретных сообщений. - М.: Радио и Связь. 1990, 240 с.
4. А.С. №1247778, G01R 25/00, заяв. №3806020/24-21 от 29.10.84, опубл. 30.07.86, БИ №28. Измеритель фаз.
5. А.С. №1337808, G01R 25/00, заяв. №4007135/24-21 от 13.01.86, опубл. 15.09.87, БИ №5. Измеритель фаз. (прототип).
6. А.С. №1626241, G01R 25/00, заяв. №4639020/21 от 22.11.86, опубл. 07.02.91, БИ №5. Осциллографический анализатор спектра.
1. Осциллографический измеритель фаз, содержащий последовательно соединенные управляемый генератор развертки, перестраиваемый гетеродин, смеситель, второй вход которого является входом фазометра, и усилитель промежуточной частоты (УПЧ), а также обнаружитель, блок выдержки времени, ключ, ограничитель, фазовращатель на 90°, перемножитель и три электроннолучевые трубки (ЭЛТ), при этом вход обнаружителя подключен к входам блока выдержки времени и управляемого генератора развертки, к вертикально-отклоняющему электроду первой ЭЛТ и к управляющему входу ключа, а вход блока выдержки времени соединен с управляющим входом (входом сброса) обнаружителя, отличающийся тем, что в него введены второй перемножитель, два фильтра нижних частот, две управляемые линии задержки, детектор огибающей, два дифференцирующих блока, два элемента ИЛИ, элемент И, блок управления задержкой и генератор ждущей развертки, выход управляемого генератора развертки соединен с горизонтально-отклоняющим электродом первой ЭЛТ, выход УПЧ подключен к вторым (сигнальным) входам обнаружителя и ключа, выход которого через последовательно включенные ограничитель, фазовращатель на 90°, перемножитель и фильтр нижних частот соединен с горизонтально-отклоняющим электродом второй ЭЛТ, выход ограничителя через последовательно соединенные второй перемножитель и второй фильтр нижних частот подключен к вертикально-отклоняющему электроду второй ЭЛТ, выход ключа через управляемую линию задержки соединен с детектором огибающей и вторыми входами упомянутых перемножителей, выходы упомянутых фильтров нижних частот через соответствующие им первый и второй дифференцирующие блоки подключены к входам первого элемента ИЛИ, выход которого через вторую управляемую линию задержки и элемент И соединен с входом блока управления задержкой, выход которого подключен к вторым входам управляемых линий задержки, и с генератора ждущей развертки, выход которого подключен к горизонтально-отклоняющему электроду третьей ЭЛТ, вертикально-отклоняющий элемент которой соединен с входом второго элемента ИЛИ, входами подключенного к выходам детектора огибающей, и элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ, второй вход блока управления задержкой подключен к выходу блока выдержки времени.
2. Осциллографический измеритель фаз по п.1, отличающийся тем, что блок управления задержкой содержит генератор счетных импульсов и последовательно соединенные элемент задержки, элемент "запрет" (нормально открытый ключ), триггер, второй элемент И, второй вход которого подключен к выходу генератора счетных импульсов, счетчик, дешифратор, третью управляемую линию задержки, третий элемент И, второй вход которого объединен с входом элемента задержки и является первым входом блока управления задержкой, второй триггер и четвертый элемент И, второй вход которого соединен с выходом дешифратора, а выход является выходом блока управления задержкой, при этом второй вход (вход сброса) первого триггера и второй (запрещающий) вход элемента "Запрет" объединены и подключены к выходу второго триггера, вторые входы (входы сброса) счетчика и второго триггера объединены и подключены ко второму входу блока управления задержкой.
