СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТЫ РАДИОСИГНАЛОВ В АКУСТООПТИЧЕСКОМ ПРИЕМНИКЕ-ЧАСТОТОМЕРЕ В ЛИНЕЙНОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ ФОТОПРИЕМНИКА
METHOD OF DETERMINING FREQUENCY OF RADIO SIGNALS IN ACOUSTO-OPTIC RECEIVER-FREQUENCY METRE IN LINEAR OPERATION MODE OF PHOTODETECTOR

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве высокоточного измерителя параметров радиосигналов в частотомерах и демодуляторах частотно-модулированных сигналов диапазона СВЧ.
Известен (см. фиг.1) способ измерения несущей частоты радиосигналов, реализованный в акустооптическом процессоре (Гуревич А.С., Нахмансон Г.С. Обнаружение и измерение частоты узкополосных радиосигналов на фоне помех в акустооптоэлектронном спектроанализаторе. // Известия ВУЗов СССР - Радиоэлектроника. - 1981. - Т.24. - №4. - С.26-33), заключающийся в том, что сигнал S(t), частота которого подлежит измерению, подают на электрический вход акустооптического дефлектора 2, где он преобразуется в акустический сигнал, с которым взаимодействует лазерное излучение 1, в результате чего формируют световой сигнал, над которым с помощью линзы 3 выполняют операцию оптического интегрирования с последующим детектированием при помощи линейки фотоприемников 4, состоящей из дискретного набора фотодиодов, формирующих набор видеосигналов, обрабатывая которые электронной системой 5 и решающим устройством 6, определяют порядковый номер фотодиода с максимальным уровнем сигнала и значение частоты сигнала S(t), соответствующей найденному номеру.
Признаками аналога, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, являются подача радиосигнала на электрический вход акустооптического дефлектора, его преобразование в дефлекторе в акустический аналог, преобразование акустического аналога в световой сигнал, операция оптического интегрирования (операция Фурье-преобразования в заявляемом способе), детектирование светового сигнала фотодиодами линейки фотоприемников, формирование на их выходах видеосигналов с последующей обработкой и вычислением частоты радиосигнала, отождествляемой с абсциссой оси симметрии распределения интенсивности светового сигнала, продетектированного фотодиодами.
Σ
Σ
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является низкая точность измерения частоты радиосигналов, которая для полосы рабочих частот процессора Δf и числа фотодиодов N в линейке фотоприемников не превышает величины 0,5(Δf/N), что соответствует половине частотного интервала между фотодиодами.
n
3
Известен также способ (см. фиг.2) измерения несущей частоты радиосигналов, реализованный в акустооптическом приемнике-частотомере (Роздобудько В.В., Дикарев Б.Д. Высокоточный акустооптический приемник-частотомер комбинированного типа. // Радиотехника. 2003. - №9. - С.31-36), заключающийся в том, что сигнал S(t), частота которого подлежит измерению, подают на электрический вход акустооптического дефлектора 2, где он преобразуется в акустический сигнал, с которым взаимодействует лазерное излучение 1, в результате чего формируют световой сигнал, над которым с помощью интегрирующей линзы 3 выполняют операцию Фурье-преобразования и детектирование при помощи линейки фотоприемников 4, формирование на их выходах видеосигналов, которые усиливают затем видеоусилителями 7, сравнивают с пороговым уровнем в пороговых устройствах 8 (при превышении порогового уровня уровнем видеосигнала пороговое устройство срабатывает), с последующим грубым определением частоты радиосигнала регистрирующим устройством I - 9 и уточнением частоты с использованием коммутатора - 10, дискриминатора - 11 и регистрирующего устройства II - 12 путем сопоставления уровней сигналов U и U, снимаемых с двух крайних фотодиодов, уровни которых превышают уровень 14 (фиг.3) срабатывания пороговых устройств и путем уточнения положения максимума распределения светового сигнала 13 (фиг.3), продетектированного фотодиодами линейки фотоприемников.
Признаками аналога, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, являются подача радиосигнала на электрический вход акустооптического дефлектора, его преобразование в дефлекторе в акустический аналог, преобразование акустического аналога в световой сигнал, операция Фурье-преобразования, детектирование светового сигнала фотодиодами линейки фотоприемников, формирование на их выходах видеосигналов с последующей обработкой и вычислением частоты радиосигнала, отождествляемой с абсциссой оси симметрии распределения интенсивности светового сигнала, продетектированного фотодиодами.
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является недостаточная точность измерения частоты радиосигналов при значительном усложнении схемы устройства.
п
з
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ-прототип, реализованный в акустооптическом частотомере (фиг.4) (Роздобудько В.В. Широкополосные акустооптические измерители частотных и фазовых параметров радиосигналов. // Радиотехника. - 2001. - №1. - С.79-92) и заключающийся в том, что на электрический вход акустооптического дефлектора 2 подают измеряемый радиосигнал S(t), в акустооптическом дефлекторе он преобразуется в акустический сигнал, с которым взаимодействует лазерное излучение 1, сформированное лазером 15 и коллиматором 16, в результате чего формируют световой сигнал, над которым с помощью линзы 3 выполняют операцию Фурье-преобразования с последующим детектированием при помощи линейки фотоприемников 4, состоящей из дискретного набора фотодиодов, формирующих набор видеосигналов, которые усиливают затем видеоусилителями 7, сравнивают с пороговым уровнем в пороговых устройствах 8 (при превышении порогового уровня уровнем видеосигнала пороговое устройство срабатывает), далее определяют номера первого m и последнего m сработавшего порогового устройства (см. фиг.5, на котором: 13 - распределение светового сигнала, продетектированное фотодиодами линейки фотоприемников, 14 - уровень порога) и определяют частоту радиосигнала при помощи решающего устройства 6 по формуле
H
Σ
где f - начальная частота диапазона частот частотомера, Δf - его полоса пропускания, N - число фотодиодов в линейке фотоприемников 4.
Признаками прототипа, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, являются подача радиосигнала на электрический вход акусто-оптического дефлектора, его преобразование в дефлекторе в акустический аналог, преобразование акустического аналога в световой сигнал, операция Фурье-преобразования, детектирование светового сигнала фотодиодами линейки фотоприемников, формирование на их выходах видеосигналов с последующей обработкой и вычислением частоты радиосигнала, отождествляемой с абсциссой оси симметрии распределения интенсивности светового сигнала, продетектированного фотодиодами.
Σ
Σ
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является низкая точность измерения частоты радиосигналов, которая для полосы рабочих частот процессора Δf и числа фотодиодов N в линейке фотоприемников не превышает величины 0,25(Δf/N), что соответствует четверти частотного интервала между фотодиодами.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение точности измерения частоты радиосигналов, поступающих на вход измерителя, работающего в линейном режиме.
k
k+1
k-1
k+1
k-1
k+2
k-2
B
A
C
D
B
A
C
D
0
0=
1
2
1
2
1
A
B
A
B
2
D
C
D
C
1
B
A
A
B
A
B
2
C
D
D
C
D
C
Технический результат достигается тем, что определяют фотодиод с максимальным уровнем сигнала, регистрируют его порядковый номер - k, а уровень сигнала на нем обозначают y, далее измеряют уровни сигналов на соседних фотодиодах y и y и сравнивают их между собой, если y больше y, то дополнительно измеряют уровень сигнала y, в противном случае измеряют уровень сигнала y, затем названные уровни сигналов в порядке возрастания их индексов обозначают y, y, y, y, а соответствующие этим уровням частоты обозначают f, f, f и f, далее вычисляют частоту f по формуле f(c-c)/(g-g), где g=(y-y)/(f-f), g=(y-y)/(f-f), c=(yf-yf)/(f-f), c=(yf-yf)/(f-f).
k
k+1
k-1
k+1
k-1
k+2
k-2
B
A
C
D
B
A
C
B
0
0
1
2
1
2
1
A
B
A
B
2
D
C
D
C
1
B
A
A
B
A
B
2
C
D
D
C
D
C
Для достижения технического результата в способе определения частоты радиосигнала в акустооптическом приемнике-частотомере, заключающемся в том, что на электрический вход акустооптического дефлектора подают анализируемый радиосигнал, где преобразовывают его в акустический и далее в оптический сигнал, затем подвергают его Фурье-преобразованию с фиксацией распределения его интенсивности N-элементной линейкой фотодиодов, далее формируют на их выходах видеосигналы с уровнями, пропорциональными уровням упомянутого распределения интенсивности, после чего вычисляют частоту радиосигнала, отождествляемую с абсциссой оси симметрии распределения интенсивности светового сигнала, дискретизированного фотодиодами, определяют фотодиод с максимальным уровнем сигнала, регистрируют его порядковый номер - k, а уровень сигнала на нем обозначают y, далее измеряют уровни сигналов на соседних фотодиодах y и y и сравнивают их между собой, если y больше y, то дополнительно измеряют уровень сигнала y, в противном случае измеряют уровень сигнала y, затем названные уровни сигналов в порядке возрастания их индексов обозначают y, y, y, y, а соответствующие этим уровням частоты обозначают f, f, f и f, далее вычисляют частоту f по формуле f=(c-c)/(g-g), где g=(y-y)/(f-f), g=(y-y)/(f-f), c=(yf-yf)/(f-f), c=(yf-yf)/(f-f).
Сравнивая предлагаемый способ с прототипом, видно, что он содержит новые признаки, т.е. соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, видно, что заявляемый способ соответствует критерию «существенные отличия», так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки.
Для доказательства существования причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом рассмотрим сущность предлагаемого способа измерения частоты и сопоставим его со способом-прототипом и способами-аналогами.
B
A
C
D
B
A
C
D
Сущность заявляемого способа заключается в следующем. На фиг.6 в координатах частота-уровень показаны два возможных варианта (а и б) распределений интенсивности светового сигнала на фотоприемнике. Предполагается, что фотоприемник работает в линейном режиме. Абсциссы точек А, В, С, D соответствуют частотам точной настройки фотодиодов фотоприемника (f, f, f и f), а ординаты этих точек равны уровням сигналов на фотодиодах (y, y, y и y). Видно, что прямые ВА и DC пересекаются в точке, абсцисса которой F практически совпадает с абсциссой оси симметрии светового распределения (абсцисса этой оси симметрии равна частоте радиосигнала). Точка пересечения прямых ВА и DC вычисляется по формуле
1
2
1
2
1
1
2
2
где g и g - угловые коэффициенты, а с и с - свободные члены в уравнениях y=gf+c, y=gf+c прямых ВА и DC. Входящие в (2) величины вычисляются по формулам:
1
A
B
A
B
g=(y-y)/(f-f),
2
D
C
D
C
g=(y-y)/(f-f),
1
B
A
A
B
A
B
f
с=(yf-yf)/(f-),
2
C
D
D
C
D
C
c=(yf-yf)/(f-f).
Пример последовательности действий, направленных на измерение частоты радиосигнала, в соответствии с заявляемым способом включает в себя следующие шаги.
50
1. Определяют фотодиод с максимальным уровнем сигнала и регистрируют порядковый номер этого фотодиода - k (пусть, например k=50). Уровень сигнала на этом фотодиоде обозначают у.
51
49
2. Измеряют уровни сигналов на соседних фотодиодах: у и у.
51
49
51
49
52
48
3. Сравнивают y и у. Если y>y (см. фиг.6а), то дополнительно измеряют уровень сигнала y, в противном случае (см. фиг.6б) измеряют уровень сигнала y.
49
50
51
52
48
49
50
51
После перечисленных измерений получится либо набор уровней y, y, y, y, что соответствует фиг.6а, либо набор уровней y, y, y, y, что соответствует фиг.6б.
B
49
A
50
C
51
D
52
B
48
A
49
C
50
D
51
4. Измеренные уровни сигналов обозначают в порядке возрастания их индексов. Для варианта, показанного фиг.6а: y=y, y=у, y=y, y=y, а для варианта, показанного на фиг.6б: y=y, y=y, y=y, y=y.
B
A
C
D
B
49
A
50
C
51
D
52
B
48
A
49
C
50
D
51
5. Частотам f, f, f и f присваивают значения: для варианта, показанного на фиг.6а: f=f, f=f, f=f, f=f, а для варианта, показанного на фиг.6б: f=f, f=f, f=f, f=f.
6. Вычисляют частоту по формуле (2).
Можно показать, что по сравнению с прототипом максимальная погрешность измерения частоты заявляемым способом может снизиться на порядок. Использование заявляемого способа измерения частоты в акустооптическом измерителе позволит улучшить технические характеристики данного устройства за счет увеличения точности измерения.