Осциллографический анализатор спектра

 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в радиолокации и связи, где широко применяются сигналы с комбинированной амплитудной модуляцией, линейной частотной модуляцией и фазовой манипуляцией. Анализатор содержит генератор развертки, гетеродин, смеситель, усилитель промежуточной частоты, обнаружитель, линию задержки, четыре ЭЛТ, ключ, умножители частоты на восемь, делители частоты на восемь, полосовые фильтры, блок регулируемой задержки, перемножитель, узкополосный фильтр, фазовый детектор, управляющий блок, частотные детекторы, дифференцирующие блоки, амплитудный детектор, генератор пилообразного напряжения, выпрямитель, генератор опорного напряжения, фазовращатель на 90, усилители, умножитель частоты на два, умножитель частоты на четыре, измерители ширины спектра, блоки сравнения, пороговые элементы, элемент ИЛИ, амплитудный ограничитель и синхронный детектор. 5 ил.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в радиолокации и связи.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем визуальной оценки основных параметров сигнала с комбинированной амплитудной модуляцией, линейной частотной модуляцией и фазовой манипуляцией (АМ = ЛЧМ = ФМн).

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого анализатора; на фиг. 2 - структурная схема обнаружителя; на фиг. 3 и 4 - временные диаграммы, поясняющие работу анализатора; на фиг. 5 - вид осциллограмм.

Осциллографический анализатор спектра содержит генератор 1 развертки, гетеродин 2, смеситель 3, усилитель 4 промежуточной частоты, обнаружитель 5, линию 6 задержки, электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) 7, ключ 8, умножитель 9 частоты на восемь, делитель 10 частоты на восемь, полосовой фильтр 11, блок 12 регулируемой задержки, перемножитель 13, полосовой фильтр 14, умножитель 15 частоты на восемь, делитель 16 частоты на восемь, узкополосный фильтр 17, фазовый детектор 18, управляющий блок 19, частотный детектор 20, дифференцирующий блок 21, амплитудный детектор 22, дифференцирующий блок 23, генератор 24 пилообразного напряжения, ЭЛТ 25, частотный детектор 26, выпрямитель 27, генератор 28 опорного напряжения, фазовращатель 29 на 90^о, усилители 30 и 3, ЭЛТ 32, умножитель 33 частоты на два, умножитель 34 частоты на четыре, умножитель 35 частоты на восемь.

Обнаружитель содержит измерители 36-39 ширины спектра, блоки 40-42 сравнения, пороговые элементы 43-45, элемент ИЛИ 46, амплитудный ограничитель 47 и синхронный детектор 48. Анализатор содержит также ЭЛТ 49.

Анализатор работает следующим образом.

Просмотр заданного диапазона частот Df осуществляется с помощью генератора 1 развертки, который периодически с периодом Т_п по пилообразному закону перестраивает частоту гетеродина 2. Одновременно генератор 1 развертки формирует горизонтальную развертку ЭЛТ 7, которая используется как ось частот, причем ее длина соответствует полосе обзора частотного диапазона. Ключ 8 в исходном состоянии закрыт.

Принимаемый сигнал с комбинированной АМ-ЛЧМ-ФМн, который можно описать следующим выражением: u_c(t) = U[1 + m(t)] cos [ ω_c t + πγ t² + ϕ_к (t) + ϕ_c ] , 0≅t≅T_c, где U_c, ω_c , T_c и ϕ_c - амплитуда, начальная несущая частота, длительность и начальная фаза сигнала соответственно; m(t) - модулирующая функция амплитудной модуляцией; γ = - скорость изменения частоты внутри импульса; Δ f_д - девиация частоты; ϕ_к (t) - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом М(t) (фиг. 3а), причем ϕ_к (t) = const при К τ_и < t < (K + 1) и может изменяться скачком на Δϕ при t = K τ_и , т. е. на границах между элементарными посылками (К = 1, 2, . . . , N - 1); τ_и и N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т_с (Т_с = N τ_и ); поступает на первый вход смесителя 3, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 2 линейно изменяющейся частоты u_г(t) = U_г cos (ω_г t + πγ_г t² + ϕ_г), 0≅t≅T_п, где U_г, ω_г и ϕ_г - амплитуда, начальная частота и начальная фаза напряжения гетеродина соответственно; γ_г= - скорость изменения частоты гетеродина.

На выходе смесителя 3 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 4 выделяется напряжение промежуточной частоты
u_пр1(t) = U_пр[1 + m(t)] cos [ω_пр t + πγ t² +
+ ϕ_к (t) - πγ_г t² + ϕ_пр] , где U_пр = 1/2· K₁ U_c U_г;
К₁ - коэффициент передачи смесителя;
ω_пр= ω_c-ω_г - промежуточная частота,
ϕ_пр= ϕ_c-ϕ_г- промежуточная начальная фаза, которое поступает на вход обнаружителя 5.

Если на вход анализатора поступает сигнал с комбинированной амплитудной модуляцией: линейной частотной модуляцией и однократной фазовой манипуляцией (АМ-ЛЧМ-ОФМн), то на выходе умножителей 33-35 частоты образуются следующие колебания соответственно:
u₁(t) = U_пр[1 + m(t)] cos (2 ω_пр t + 2 πγ t² -
- 2 πγ_г t² + 2 ϕ_пр)
u₂(t) = U_пр[1 + m(t)] cos (4ω_пр t + 4 πγ t² -
- 4 πγ_г t² + 4 ϕ_пр)
u₃(t) = U_пр[1 + m(t) - cos (8 ω_пр t + 8 πγ t² -
- 8 πγ_г t² + 8 ϕ_пр)
0 ≅ t ≅ T_c.

Так как 2 ϕ_к (t) = 0,2 π , 4 ϕ_к (t) = 0,4 π , 8 ϕ_к (t) = 0,8 π , то в указанных колебаниях манипуляцией фазы уже отсутствуют.

Ширина спектра второй Δ f₂, четвертой Δ f₄ и восьмой Δ f₈гармоник определяется длительностью сигнала Т_с ( Δ f₂ = Δ f₄ = Δ f₈ = = 1/T_c).

Так как 2 ϕ_к (t) = 0,2 π , 4 ϕ_к (t) = 0,4 π , 8 ϕ_к (t) = 0,8 π, то в указанных колебаниях манипуляции фазы уже отсутствуют.

Ширина спектра второй Δ f₂, четвертой Δ f₄ и восьмой Δ f₈гармоник определяется длительностью сигнала Т_с ( Δ f₂= Δ f₄= Δ f₈= 1/T_c ), тогда как ширина Δ f_c АМ-ЛЧМ-ОФМн, сигнала определяется длительностью τ_и его элементарных посылок (Δf_c= ), т. е. ширина спектра указанных гармоник стала в N раз меньше ширины спектра входного сигнала:
= = = N .

Следовательно, при умножении частоты АМ-ЛЧМ-ОФМ н сигнала на два, четыре и восемь его спектр "сворачивается" в N раз.

Это позволяет обнаружить АМ-ЛЧМ-ОФМн сигнал даже тогда, когда его мощность на выходе анализатора меньше мощности шумов.

Ширина спектра Δ f₂ входного сигнала измеряется с помощью измерителя 36, ширина спектра второй Δ f₂, четвертой Δ f₄ и восьмой Δ f₈ гармоник сигнала измеряется с помощью измерителей 37-39.

Напряжения U₁, U₂ и U₃, пропорциональные Δ f₂, Δ f₄ и Δ f₈соответственно, с выхода измерителей 37-39 ширины спектра поступают на первые входы блоков 40-42 сравнения, на вторые входы которых подается напряжение U с выхода измерителя 36 ширины спектра, пропорциональное Δ f_c. Так как U >> U₁, U >> U₂, U >> U₃, то на выходах блоков 40-42 сравнения образуются положительные импульсы, которые превышают пороговый уровень U_пор в пороговых элементах 43-45 и через элемент ИЛИ 46 поступает на выход.

Если на вход анализатора поступает сигнал с комбинированной амплитудной модуляцией, линейной частотной модуляцией и двухкратной фазовой манипуляцией (АМ-ЛЧМ-ДФМн) ϕ_к (t) = 0, π /2, π , 3/2 π , то на выходе умножителя 33 частоты на два образуется АМ-ЛЧМ-ОФМн сигнал [ ϕ_к(t) = = 0, π, 2 π , 3 π ] , а на выходе умножителей 34 и 35 частоты на четыре и восемь - колебания u₂(t) и u₃(t) соответственно, т. е. в указанных каналах осуществляется свертка спектра входного сигнала.

Если на вход анализатора поступает сигнал с комбинированной амплитудной модуляцией, линейной частотной модуляцией и трехкратной фазовой манипуляцией (АМ-ЛЧМ-ТФМн) ϕ_к (t) = 0, π /4, π /2, 3/4 π π, 5/4 π , 3/2 π , 7/4 π , то свертка спектра осуществляется только на выходе умножителя 35, частоты на восемь. При этом положительное напряжение формируется только на выходе блока 42 сравнения.

Напряжение с выхода обнаружителя 5 поступает на управляющий вход генератора 1 развертки, прекращая перестройку гетеродина 2, на вход линии 6 задержки, на управляющий вход ключа 8, открывая его, и на вертикальный электрод ЭЛТ 7. С этого момента времени просмотр заданного частотного диапазона Df и поиск АМ-ЛЧМ-ФМн сигналов прекращается на время визуального анализа основных параметров обнаруженного АМ-ЛЧМ-ФМн сигнала, которое определяется временем задержки τ_з линии 6 задержки. При этом на экране ЭЛТ 7 образуется импульс (частотная метка), положение которого на горизонтальной развертке однозначно определяет начальную несущую частоту принимаемого АМ-ЛЧМ-ФМн сигнала (фиг. 5а).

Пороговый уровень U_пор в обнаружителе 5 выбирается таким, чтоб этот уровень не превышал случайные помехи.

При прекращении перестройки частоты ω_г гетеродина 2 усилителем 4 промежуточной частоты выделяется напряжение
u_пр2(t) = U_пр[1 + m(t)] cos [ω_пр t + πγ t² +
+ ϕ_к (t) + ϕ_пр] , 0 ≅ t ≅ T_c. которое через открытый ключ 8 поступает на вход амплитудного ограничителя 47, на выходе которого образуется напряжение
u_пр3(t) = U_огр cos[ω_пр t + πγ t² +
+ ϕ_к (t) + ϕ_пр] , 0 ≅ t ≅T_c.

где U_огр - порог ограничения, представляющее собой сигнал с комбинированной линейной частотной модуляцией и фазовой манипуляцией (ЛЧМ-ФМн).

Это напряжение поступает на входы умножителя 9 частоты на восемь, перемножителя 13, частотного детектора 20, амплитудного детектора 22 и синхронного детектора 48. На выходе умножителя 9 частоты на восемь образуется напряжение (фиг. 3г).

u_пр4(t) = U_огр cos[8 ω_пр t + 8 πγ t² + 8 ϕ_пр)
0 ≅ t ≅ T_c.. Так как 8 ϕ_к (t) = 0,8 π - при однократной фазовой манипуляции, 8 ϕ_к (t) = 0,4 π , 8 π , 12 π - при двухкратной фазовой манипуляции, 8 ϕ_к (t) = 0,2 π , 4 π , 6 π , 8 π , 10 π , 12 π , 14 π - при трехкратной фазовой манипуляцией, то в указанном напряжении манипуляции фазы уже отсутствует.

Напряжение u_пр4(t) поступает на вход делителя 10 частоты на восемь, на выходе которого образуется напряжение (фиг. 3д).

u_пр5(t) = U_огр сos[ ω_пр t + πγ t² + ϕ_пр ] ,
0 ≅ t ≅ T_c, представляющие собой ЛЧМ-сигнал, частота которого изменяется по линейному закону (фиг. 3в). Напряжение u_пр5(t) выделяется полосовым фильтром 11 и поступает на вход блока 12 регулируемой задержки. На выходе указанного блока образуется напряжение
u_пр6(t) = U_огр cos[ ω_пр (t-τ) + πγ (t-τ)² + ϕ_пр ] ,
0 ≅ t ≅ T_c, которое поступает на второй вход перемножителя 13, на первый вход которого подается ЛЧМ-ФМн сигнал промежуточной частоты u_пр3(t). На выходе перемножителя 13 образуется напряжение биений (фиг. 4б)
u_б1(t) = U_б cos [ω_бt+ϕ_к(t)+ϕ_б] ,
0 ≅ t ≅ T_c, где U_б = 1/2·K₂U²_огр,
К₂ - коэффициент передачи перемножителя;
ω_б= 2πγτ- частота биения;
ϕ_б= ω_прτ-πγτ²- начальная фаза биений, которое представляет собой ФМн-сигнал на частоте биений, причем частота биений ω_б определяется скоростью изменения частоты сигнала γ и величиной задержки τ .

Напряжение u_б1(t) выделяется полосовым фильтром 14 и поступает на вход умножителя на восемь, на выходе которого образуется гармоническое напряжение (фиг. 4в).

u_б2(t) = U_бcos(8 ω_б t + 8 ϕ_б ), 0 ≅ t ≅ T_c.

Напряжение u_б2(t) поступает на вход делителя 16 частоты на восемь, на выходе которого образуется напряжение (фиг. 4г)
u_б3(t) = U_бcos(ω_б t + ϕ_б ), 0 ≅ t ≅ T_c. , которое представляет собой гармоническое колебание на частоте ω_б . Напряжение u_б3(t) выделяется узкополосным фильтром 17 и поступает на первый вход фазового детектора 18, на второй вход которого подается напряжение с выхода генератора 28 опорного напряжения
u_o(t) = U_ocos( ω_o t + ϕ_o), где U_o, ω_o и ϕ_o - амплитуда, частота и начальная фаза напряжения генератора соответственно.

Если указанные напряжения отличаются друг от друга по частоте или фазе, то на выходе фазового детектора 18 образуется постоянное напряжение, причем амплитуда и полярность этого напряжения зависит от степени и напряжения отклонения частоты биений ω_б от частоты генератора 28 опорного напряжения. Управляющее напряжение с помощью управляющего блока 19 воздействует на блок 12 регулируемой задержки, изменяя величину задержки τ так, что выполняется равенство
ω_б= 2πγτ= ω_o
Для визуальной оценки величины скачков фазы Δϕ и кратности фазовой манипуляции n принимаемого АМ-ЛЧМ-ФМн сигнала используется ЭЛТ 25 круговой развертки, причем круговая развертка формируется с помощью генератора 28 опорного напряжения, частота ω_o которого поддерживается равной частоте биений ω_б ( ω_o = ω_б) с помощью системы автоподстройки частоты. Напряжение u_o(t) генератора 28 поступает через усилитель 31 на вертикальный электрод, а через фазовращатель 29 на усилитель 30 - на горизонтальный электрод ЭЛТ 32.

Напряжение u_б1(t) (фиг. 4б) с выхода полосового фильтра 14 одновременно поступает на вход частотного детектора 26, на выходе которого образуются короткие разнополярные импульсы (фиг. 4д), временное положение которых соответствует моментам скачкообразного изменения фазы сигнала u_б1(t) (фиг. 4б). На выходе выпрямителя 27 образуется последовательность коротких положительных импульсов (фиг. 4е), которая поступает на модулирующий электрод ЭЛТ 32 и осуществляет модуляцию ее электронного луча яркости. На экране ЭЛТ 32 образуется изображение в виде нескольких ярких точек, расположенных на окружности (фиг. 5в, г, д). Количество точек определяет кратность фазовой манипуляции, а угловое расстояние между ними равно величине скачков фазы Δϕ обнаруженного АМ-ЛЧМ-ФМн сигнала. При неравенстве частот ω_б и ω_o(ω_б≠ω_o) яркостные метки двигаются по окружности с разностной частотой.

Для получения устойчивой осциллограммы на экране ЭЛТ 32 используется система ФАПЧ, работа которой описана.

Для визуальной оценки закона фазовой манипуляции, длительности и количества N элементарных посылок, а также параметров линейной частотной модуляции напряжение (фиг. 3б) с выхода амплитудного ограничителя 47 одновременно поступает на входы частотного 20 и амплитудного 22 детекторов. На выходе частотного детектора 20 образуется напряжение (фиг. 3е), пропорциональное закону изменения частоты принимаемого сигнала (фиг. 3в), с короткими разнополярными импульсами в моменты скачкообразного изменения фазы сигнала (фиг. 3б). Это напряжение дифференцирующим блоком 21 преобразуется в прямоугольное напряжение (фиг. 3ж), которое поступает на вертикальный электрод ЭЛТ 25. Амплитудный детектор 22 выделяет огибающую сигнала (фиг. 3з), которая дифференцирующим блоком 23 преобразуется в два коротких разнополярных импульса (фиг. 3и), причем положительным коротким импульсом запускается, а коротким отрицательным импульсом выключается генератор 24 пилообразного напряжения, выходное напряжение которого (фиг. 3к) используется для формирования горизонтальной развертки ЭЛТ 25. При этом на экране ЭЛТ 25 образуется напряжение в виде прямоугольного импульса с коротким и разнополярным импульсами, на его вершине (фиг. 3ж) и (фиг. 5б), причем длительность Т_с обнаруженного АМ-ЛЧМ-ФМн сигнала, амплитуда импульса пропорциональны скорости изменения частоты γ внутри сигнала, а площадь импульса пропорциональна девиации частоты Δ f_д( Δ f_д = γ Т_с) принимаемого АМ-ЛЧМ-ФМн сигнала.

Число коротких разнополярных импульсов равно количеству скачков фазы m принимаемого АМ-ЛЧМ-ФМн сигнала. Между количеством скачков фазы m и количеством элементарных посылок N существует следующая аналитическая зависимость
N = 0,5 (m + 1). Подсчитывая количество скачков фазы m, можно определить количество N элементарных посылок. Оценивая Т_с и N, можно определить длительность τ_и элементарных посылок τ_u= .

Напряжение u_пр1(t) с выхода усилителя 4 промежуточной частоты через открытый ключ 8 одновременно поступает на второй вход синхронного детектора 48, на выходе которого образуется низкочастотное напряжение
u_н(t) = U_н[1 + m(t)] , 0 ≅ t ≅ T_c, где U_н = 1/2·K₃U_прU_огр;
К₃ - коэффициент передачи синхронного детектора 48.

Это напряжение поступает на вертикальный электрод ЭЛТ 49, горизонтальный электрод которой соединен с выходом генератора 24 пилообразного напряжения. На экране ЭЛТ 49 образуется низкочастотное напряжение (фиг. 5е), визуально анализируя которое можно определить закон амплитудной модуляции m(t).

Время задержки τ_з линии 6 задержки выбирается таким, что можно визуально оценить основные параметры обнаруженного АМ-ЛЧМ-ФМн сигнала, наблюдая осциллограммы на экранах ЭЛТ 7, 25, 32 и 49. По истечении этого времени напряжение с выхода линии 6 задержки поступает на входы сброса пороговых элементов 43-45 и сбрасывает их содержимое на нулевое значение. При этом генератор 1 развертки переводится в режим перестройки, а ключ 8 закрывается, т. е. переводится в свое исходное состояние. С этого момента времени просмотр заданного частотного диапазона D и поиск АМ-ЛЧМ-ФМн сигналов продолжается. В случае обнаружения следующего АМ-ЛЧМ-ФМн сигнала работа анализатора происходит аналогичным образом. (56) Авторское свидетельство СССР N 1626241, кл. G 01 R 25/00, 1988.

Формула изобретения

ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА, содержащий последовательно соединенные генератор развертки, гетеродин, смеситель, усилитель промежуточной частоты, обнаружитель, второй вход которого соединен с выходом линии задержки, а выход подключен к входам генератора развертки линии задержки и к второму входу ключа, первый вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, а выход ключа подключен к вертикальному электроду первой электронно-лучевой трубки, горизонтальный электрод которой соединен с вторым выходом генератора развертки, последовательно включенные генератор опорного напряжения, фазовращатель на 90^o, первый усилитель и горизонтальный электрод второй электронно-лучевой трубки, вертикальный электрод которой через второй усилитель соединен с выходом генератора опорного напряжения, а модулирующий электрод соединен с выходом выпрямителя, последовательно соединенные первый умножитель частоты на восемь, первый делитель частоты на восемь, первый полосовой фильтр, блок регулируемой задержки, первый умножитель, второй полосовой фильтр и второй частотный детектор, последовательно соединенные первый амплитудный детектор, дифференцирующий блок и генератор пилообразного напряжения, выходом соединенный с горизонтальными электродами третьей электронно-лучевой трубки, при этом второй вход смесителя соединен с входом устройства, второй вход перемножителя соединен с входами амплитудного детектора и второго частотного детектора, выход которого через второй дифференцирующий блок соединен с вертикальным электродом третьей электронно-лучевой трубки, выход первого полосового фильтра через второй умножитель частоты на восемь, второй делитель частоты на восемь, узкополосный фильтр, фазовый детектор и управляющий блок соединен с вторым входом блока регулируемой задержки, второй вход фазового детектора соединен с выходом генератора опорного напряжения, а вход перемножителя соединен с входом первого умножителя частоты на восемь, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем визуальной оценки основных параметров сигнала с комбинированной амплитудной модуляцией, линейной частотной модуляцией и фазовой манипуляцией, в него введены амплитудный ограничитель, синхронный детектор и четвертая электронно-лучевая трубка, причем вход амплитудного ограничителя подключен к выходу ключа, а выход - к входу первого умножителя частоты на восемь, к первому входу синхронного детектора, второй вход которого соединен с входом ключа, а выход подключен к вертикальному электроду четвертой электронно-лучевой трубки, горизонтальный электрод которой соединен с выходом генератора пилообразного напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5