АНАЛИЗАТОР ПАРАМЕТРОВ СЛОЖНЫХ СИГНАЛОВ
COMPOSITE SIGNAL PARAMETER ANALYSER

Предлагаемое устройство относится к приемникам импульсной информации, применяемых в радиолокации, радиоразведке и предназначено для определения вида модуляции и измерения параметров модуляции сложных сигналов.
В настоящее время известны анализаторы параметров модуляции сложных сигналов. Проведем их сравнительный анализ.
В качестве первого аналога рассмотрим устройство, которое измеряет девиацию частоты сигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), определяет число перебросов фазы сигналов с бинарной 0, π фазовой манипуляцией (ФМ) и вид модуляции поступившего сигнала (ЛЧМ или ФМ сигнал).
Недостатками известного устройства являются:
1. Низкая чувствительность измерительного канала при обработке ЛЧМ сигналов.
2. Распознавание и измерение девиации частоты ЛЧМ сигналов возможно только в ограниченном диапазоне изменения параметров их модулирующих функций.
3. Узкая полоса рабочих частот при обработке ФМ сигналов.
Низкая чувствительность измерительного канала при обработке ЛЧМ сигналов обусловлена тем, что на вход счетчика известного устройства поступают суммарные шумы фильтра нижних частот и полосового фильтра, а информация о девиации частоты ЛЧМ сигнала - только с узкополосного фильтра нижних частот.
Распознавание и измерение девиации частоты ЛЧМ сигналов в ограниченном диапазоне изменения параметров модулирующих функций определено необходимостью выбора параметров устройства с учетом выполнения неравенств:
<mrow><msub><mi>τ</mi><mi>з</mi></msub><mo>≤</mo><mfrac><mrow><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>д</mi><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>и</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>;</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>μ</mi><mo>≤</mo><mfrac><mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>м</mi><mi>и</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mrow><msub><mi>τ</mi><mi>з</mi></msub></mrow></mfrac><mo>;</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
з
где τ - величина задержки сигнала в линии задержки;
д мин
τ - минимальная длительность дискрета кода ФМ сигналов;
µ - скорость перестройки частоты ЛЧМ сигнала;
ср
f - первая частота среза полосового фильтра;
мин
Т - минимальная длительность огибающей ЛЧМ сигнала.
0
з
0
Необходимость выполнения условия ωτ=2πn, где ω - несущая частота ФМ сигнала n=1, 2, 3 …, ограничивает ширину рабочей полосы при обработке ФМ сигналов.
В качества второго аналога рассмотрим устройство, которое также измеряет девиацию частоты ЛЧМ сигналов, определяет количество перебросов фазы в коде ФМ сигналов и вид модуляции поступившего сигнала. Отличительной особенностью этого устройства является высокая чувствительность при анализе ЛЧМ сигналов. Повышение чувствительности измерительного канала достигнуто путем ввода в известное устройство цепи для бланкирования выхода полосового фильтра, которое осуществляется импульсом, определяющим прием сигнала с линейной частотной модуляцией. К недостаткам устройства относятся изложенные в пп.2, 3 недостатки первого аналога.
В качестве третьего аналога рассмотрим устройство, описанное в авт. свид.  № 1840896 от 05.07.1976 г.), в котором распознавание бинарных ФМ сигналов производится в широкой полосе частот, а измерение параметров модуляции (девиации частоты ЛЧМ сигналов осуществляется в широком диапазоне значений их модулирующих функций. Это устройство по технической сущности является наиболее близким к заявляемому объекту и выбрано в качестве прототипа. Оно содержит усилитель-ограничитель, три перемножителя, две линии задержки, широкополосный квадратурный направленный ответвитель, формирователь импульса сброса (формирователь управляющих импульсов), причем вход устройства через усилитель-ограничитель подключен к соединенным вместе входам линий задержки, формирователя и первым входам перемножителей; выход первой линии задержки подключен ко входу широкополосного квадратурного направленного ответвителя, первый и второй выходы которого соединены соответственно со вторыми входами первого и второго перемножителей; выход второй линии задержки соединен со вторым входом третьего перемножителя; два полосовых фильтра, сумматор, фильтр нижних частот, три квадратора и три пиковых детектора со сбросом, инвертор, пять пороговых схем; два счетчика, схему "И", пять ключей, схему "ИЛИ", при этом выходы первого и второго перемножителей соответственно через полосовые фильтры и квадраторы подключены ко входам сумматора, выход которого подключен к соединенным вместе входам первой и второй цепей, причем первая цепь содержит последовательно включенные первые пиковый детектор и пороговую схему, а вторая цепь - вторую пороговую схему, первые ключ и счетчик, четвертый ключ; выход третьего перемножителя через фильтр нижних частот подключен к соединенным вместе входам третьей, четвертой и пятой цепей, причем третья цепь содержит последовательно включенные третьи квадратор и пороговую схему, вторые ключ и счетчик, пятый ключ, четвертая цепь - второй пиковый детектор и четвертую пороговую схему, пятая цепь - инвертор, третий пиковый детектор и пятую пороговую схему; выходы четвертой и пятой цепи соответственно подключены ко входам схемы "И", выход которой через третий ключ соединен с управляющим входом пятого ключа; выходы второй и третьей цепей соответственно подключены ко входам схемы "ИЛИ", а выход первой цепи соединен с управляющими входами третьего и четвертого ключей; первый и второй выходы формирователя соответственно подключены к соединенным вместе входам сброса пиковых детекторов, счетчиков и к управляющим входам первого и второго ключей.
В известном устройстве расширение диапазона изменения параметров модулирующих функций ЛЧМ сигналов при измерении девиации частоты достигнуто благодаря использованию дополнительного одноканального автокоррелятора, для параметров которого неравенство (1) не выполняется. Ширина рабочей полосы частот при анализе ФМ сигналов увеличена путем обработки ФМ сигналов квадратурным автокоррелятором при условии сохранения неравенств (1), (2).
Недостатком известного устройства является распознавание ЛЧМ сигналов в ограниченном диапазоне изменения их модулирующих функций.
з
ср
мин
Диапазон изменения скоростей перестройки частот ЛЧМ сигналов ограничен необходимостью выполнения неравенства (2). Невыполнение неравенства (2) приводит к тому, что сигнал биений проходит через полосовой фильтр и устройство принимает ошибочное решение о приеме ФМ сигнала. Расчеты показывают, что при реальных параметрах канала обработки ФМ сигналов τ=0,1 мкс, f=1 МГц, Т=2,5 мкс, максимальная скорость перестройки ЛЧМ сигналов, при которых осуществляется их правильное распознавание, составляет не более 6 МГц/мкс. Поиски путей увеличения точностных характеристик, помехозащищенности и скрытности работы РЛС привели к разработке за рубежом радиолокаторов со сверхширокополосными ЛЧМ сигналами, скорость перестройки частоты которых достигает порядка 50÷100 МГц/мкс.
Разведка таких сигналов известным устройством не представляется возможной. Целью настоящего изобретения является расширение диапазона скоростей перестройки частоты ЛЧМ сигналов при их распознавании.
Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее усилитель-ограничитель, три перемножителя, две линии задержки, широкополосный квадратурный направленный ответвитель, фильтр нижних частот, инвертор, три квадратора, сумматор, три пиковых детектора со сбросом, пять пороговых схем, пять ключей, формирователь управляющих импульсов, два счетчика, причем вход устройства через усилитель-ограничитель подключен к соединенным вместе входам линий задержки, формирователя управляющих импульсов и первым входам перемножителей, при этом выход первой линии задержки соединен со входом широкополосного квадратурного направленного ответвителя, первый и второй выходы которого подключены соответственно ко вторым входам первого и второго перемножителей, а выход второй линии задержки подключен ко второму входу третьего перемножителя; выход третьего перемножителя через фильтр нижних частот подключен к соединенным вместе входам трех цепей, первая из которых содержит последовательно соединенные третьи квадратор и пороговую схему, вторые ключ и счетчик, пятый ключ; вторая цепь - второй пиковый детектор и четвертую пороговую схему; третья цепь - инвертор, третий пиковый детектор и пятую пороговую схему; схему "И", входы которой соответственно подключены к выходам второй и третьей цепей, при этом выход схемы "И" подключен ко входу третьего ключа; выходы первого и второго квадраторов соответственно соединены со входами сумматора, выход которого подключен к соединенным вместе входам четвертой цепи, состоящей из последовательно включенных первых пикового детектора и пороговой схемы и пятой цепи, включающей последовательно соединенные вторую пороговую схему, первые ключ и счетчик, четвертый ключ; схему "ИЛИ", причем выходы первой и пятой цепей соответственно подключены ко входам схемы "ИЛИ", а выход четвертой цепи подключен к управляющим входам третьего и четвертого ключей; выход третьего ключа соединен с управляющим входом пятого ключа; первый и второй выходы формирователя управляющих импульсов соответственно подключены к управляющим входам первого и второго ключей и к соединенным вместе входам сброса счетчиков и пиковых детекторов, дополнительно введены: цепь, состоящая из последовательно включенных удвоителя частоты и делителя частоты на 2, третья линия задержки, четвертый и пятый перемножители, второй широкополосный квадратурный потравленный ответвитель, четыре фильтра нижних частот, две схемы вычитания, причем выход усилителя ограничителя через последовательно включенные удвоитель частоты и делитель частоты на 2 подключен к соединенным вместе первым входам четвертого и пятого перемножителей и третьей линии задержки; выход третьей линии задержки подключен ко входу широкополосного квадратурного направленного ответвителя, первый и второй выходы которого соответственно соединены со вторыми входами четвертого и пятого перемножителей; при этом выходы первого и четвертного перемножителей соответственно через фильтры нижних частот подключены ко входам первой схемы вычитания, а выходы второго и пятого перемножителей соответственно через фильтры нижних частот подключены ко входам второй схемы вычитания; выходы первой и второй схемы вычитания соответственно подключены ко входам первого и второго квадраторов.
Введение в известное устройство дополнительного канала на удвоенной частоте позволило расширять диапазон изменения скоростей перестройки частоты ЛЧМ сигналов при их распознавании.
На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого устройства. В его состав входят усилитель-ограничитель 1, удвоитель частоты 2, делитель частоты 3, линии задержки 4, 5, 6, перемножители 7, 9, 10, 12, 13, широкополосные квадратурные направленные ответвители 8, 11, фильтры нижних частот 14, 15, 16, 17, 18, инвертор 19, схемы вычитания 20, 21, квадраторы 22, 25, 27, пиковые детекторы 23, 24, 32, сумматор 26, формирователь управляющих импульсов 28, пороговые схемы 29, 30, 31, 33, 35, ключи 36, 37, 40, 41, 43, схему "И" 34, счетчики 38, 39, схема "ИЛИ" 42.
Выход усилителя-ограничителя 1 подключен к соединенным вместе входам удвоителя частоты 2, первым входом перемножителей 10, 12, 13, входам линий задержки 5, 6 и формирователя управляющих импульсов 28. Выход удвоителя частоты 2 через делитель частоты 3 подключен к соединенным вместе первым входом перемножителей 7, 9 и линии задержки 4. Выходы линий задержки 4, 5 соответственно подключены ко входам широкополосных квадратурных направленных ответвителей 8, 11, первые и вторые входы которых соответственно подключены ко вторым входам перемножителей 7, 9 и 10, 12. Выходы перемножителей 7, 10 соответственно через фильтры нижних частот 14, 16 подключены ко входам схемы вычитания 20, а выходы перемножителей 9, 12 соответственно через фильтры нижних частот 15, 17 подключены ко входам схемы вычитания 21. Выходы схем вычитания 20, 21 соответственно через квадраторы 25, 27 соединены со входами сумматора 26, выход которого подключен к соединенным вместе входам двух цепей, первая из которых включает последовательно соединенные пиковый детектор 32 и пороговую схему 35, а вторая - пороговую схему 33, ключ 36, счетчик 38 и ключ 41. Выход линии задержки 6 соединен со вторым входом перемножителя 13, выход которого через фильтр нижних частот 28 подключен к соединенным вместе входам трех цепей, первая из которых содержит последовательно включенные квадратор 22, пороговую схему 29, ключ 37, счетчик 39 и ключ 43; вторая цепь - пиковый детектор 23, пороговую схему 30, а третья цепь - инвертор 19, пиковый детектор 24, пороговую схему 31. Выходы пороговых схем 30 и 31 подключены ко входам схемы "И" 34, выход которой через ключ 40 соединен с управляющим входом ключа 43. Выход пороговой схемы 35 соединен с управляющими входами ключей 40, 41, а выходы ключей 41, 43 соответственно подключены ко входам схемы "ИЛИ" 42. Первый и второй выходы формирователя управляющих импульсов 28 соответственно подключены к управляющим входам ключей 36, 37 и ко входам сброса пиковых детекторов 23, 24, 32, счетчиков 38, 39.
Выходами "ФМ", "ЛЧМ" и "ПАРАМЕТРЫ" предлагаемого устройства соответственно являются выходы пороговой схемы 35, ключа 40 и схемы "ИЛИ" 42.
К1 ФМ
з
К2 ФМ
К1 ФМ
К2 ФМ
Δ
К1 ФМ
К2 ФМ
Δ
В предлагаемом устройстве ФМ сигналы обрабатываются двумя идентичными квадратурными автокорреляторами каналов основной и удвоенной частот и соответственно содержат линии задержки 5 и 4, широкополосные квадратурные направленные ответвители 11 и 8, перемножители 10, 12 и 7, 9, фильтры нижних частот 16, 17 и 14, 15. Применение идентичных автокорреляторов достигнуто благодаря включению между выходом удвоителя частоты 2 и входом автокоррелятора канала удвоенной частоты делителя частоты 3. Для распознавания ФМ сигналов и выделения "ФМ импульсов" используется информация о сигнале с выходов автокорреляторов каналов основной и удвоенной частот. На фиг.2 (а, б) приведены диаграммы напряжений ФМ сигналов на выходах фильтров нижних частот синфазных перемножителей автокорреляторов каналов основной и удвоенной частот. Отклик автокоррелятора канала основной частоты S(t) соответствует произведению двух модулирующих функций ФМ сигнала, сдвинутых на величину задержки τ, а отклик автокоррелятора канала удвоенной частоты S(t) представляет однополярный видеоимпульс. Амплитуды напряжений сигналов S(t) и S(t) равны. Диаграмма напряжения S(t), полученная в результате вычитания сигналов S(t) и S(t) представлена на фиг.2(в). Сигнал S(t) содержит последовательность "ФМ импульсов" прямоугольной формы, число которых равно числу перебросов фазы кода ФМ сигнала.
При обработке ЛЧМ сигналов формы напряжений и их амплитуды на выходах фильтров нижних частот синфазных перемножителей автокорреляторов каналов основной и удвоенной частот одинаковы фиг.2 (г, д). На выходах схем вычитания 20, 21 сигналы отсутствуют (фиг.2, е), т.е. ЛЧМ сигналы не проходят в канал обработки ФМ сигналов, чем и достигается распознавание ЛЧМ сигналов в широком диапазоне изменения их параметров модуляции.
Для обеспечения анализа ФМ сигналов в широкой полосе частот "ФМ импульсы" с выходов схемы вычитания 20, 21 соответственно через квадраторы 25, 26 поступают на сумматор 26. При этом амплитуды "ФМ импульсов" на выходе сумматора 26 не зависят от несущей частоты входного ФМ сигнала. "ФМ импульсы" заряжают пиковый детектор 32, напряжение которого вызывает срабатывание пороговой схемы 35, фиксируя прием ФМ сигналов. С выхода сумматора 26 "ФМ импульсы", нормализованные по амплитуде пороговой схемой 33, поступают также на счетчик 38. Счетчик 38 в двоичном коде выдает информацию о числе перебросов фазы кода ФМ сигналов, которая через ключ 41, открытый импульсом признака приема ФМ сигнала, и схему "ИЛИ" 42 поступает на выход "ПАРАМЕТРЫ" предлагаемого устройства.
В анализаторе обработка ЛЧМ сигналов выполняется одноканальным автокоррелятором, содержащим линию задержки 6, перемножитель 13, фильтр нижних частот 18. Откликом автокоррелятора на ЛЧМ сигнал является биполярное напряжение биений. Для измерения девиации частоты квадратор 22 преобразует биполярное напряжение биений в однополярную последовательность импульсов, которые нормализуются по амплитуде и форме пороговой схемой 29 и поступают на вход счетчика 39. На выходе счетчика 39 имеется информация о числе полуволн сигнала биений (о девиации частоты ЛЧМ сигнала). Для распознавания ЛЧМ сигналов положительные полуволны сигнала биений заряжают пиковый детектор 23, а отрицательные - пиковый детектор 24. С целью использования идентичных схем пиковых детекторов 23 и 24 сигнал биений на вход пикового детектора 24 подается через инвертор 19. Напряжение заряда пиковых детекторов 23 и 24 вызывает, соответственно, срабатывание пороговых схем 30 и 31. Импульсы пороговых схем 30 и 31 перекрываются во времени и на выходе схемы "И" 34 формируется импульс признака приема ЛЧМ сигнала. Информация о величине девиации частоты с выхода счетчика 39 через ключ 43, открытый импульсом признака приема ЛЧМ сигнала, и схему "ИЛИ" 42 подается на выход "ПАРАМЕТРЫ" устройства.
При обработке ФМ сигналов одноканальный автокоррелятор формирует ложный импульс приема ЛЧМ сигнала. Для исключения этого явления в анализаторе применяется ключ 40, который закрывается импульсом пороговой схемы 35 (импульсом приема ФМ сигнала).
Формирователь управляющих импульсов 28 представляет собой пороговый обнаружитель. Формирователь 28 по выходу 1 вырабатывает стандартный по амплитуде прямоугольный видеоимпульс "τ", временное положение которого соответствует временному положению огибающей входного сигнала. Импульс "τ" открывает ключи 36, 37 и импульсы пороговых схем 29, 33 поступают на счетчики 38, 39. Такая обработка дает возможность исключить накопление информации на счетчиках 38, 39 за счет срабатывания пороговых схем 29, 33 от воздействия шумов при отсутствии сигнала. По выходу 2 формирователя 28 выдается импульс сброса, который задержан относительно заднего фронта импульса "τ" на несколько микросекунд. Импульс сброса производит обнуление счетчиков 38, 39 и сбрасывает напряжение заряда пиковых детекторов 23, 24, 32. Для сжатия динамического диапазона уровней входных сигналов на входе анализатора включен усилитель-ограничитель 1.
Все новые узлы предлагаемого устройства выполнены по известным типовым схемам.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет получить новый положительный эффект - расширение диапазона скоростей перестройки частоты ЛЧМ сигналов при их распознавании.
Эхо дозволяет производить распознавание ЛЧМ сигналов при скорости перестройки их частоты, значительно большей 6 МГц/мкс. Неидентичность параметров автокорреляторов на основной и удвоенной частотах ограничивает максимальную скорость перестройки ЛЧМ сигналов. Например, при неидентичности фазовых сдвигов напряжения биений на входах схем вычитания Δφ=±15° максимальная скорость перестройки частоты ЛЧМ сигналов составляет примерно 50 МГц/мкс, (расчеты произведены из условия, что остаточный уровень напряжения на выходах схем вычитания составляет 0,25 амплитуды "ФМ импульса"), т.е. диапазон изменения скоростей перестройки частот ЛЧМ сигналов, при которых производится их правильное распознавание, увеличен примерно в 8 раз.