АСИНХРОННЫЙ ПАНОРАМНЫЙ РАДИОПРИЕМНИК
ASYNCHRONOUS PANORAMIC RADIO RECEIVER

Предлагаемое устройство относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для пассивного радиоконтроля при решении задач скрытого определения характеристик импульсных сигналов с повышенной временной скрытностью (кратковременные пакетные сигналы, сигналы со скачкообразным изменением частоты и другие импульсные сигналы).
Известны устройства для измерения частоты входного сигнала панорамного радиоприемника (авт. свид. СССР №№1.000.930, 1.272.266, 1.354.124, 1.406.506, 1.531.018, 1.557.532, 1.661.661, 1.742.741, 1.832.215; патенты РФ №№2.010.245, 2.025.737, 2.030.750, 2.279.097 и другие).
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является "Устройство для измерения частоты входного сигнала панорамного радиоприемника" (патент РФ №2.279.097, G01R 23/10, 2004), которое и выбрано в качестве прототипа.
Указанное устройство обеспечивает визуальное определение несущей частоты и вида модуляции (манипуляции) принимаемого импульсного сигнала, но не позволяет это сделать в автоматическом режиме.
Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства путем измерения несущей частоты и комплексной огибающей принимаемого импульсного сигнала в автоматическом режиме.
Поставленная задача решается тем, что асинхронный панорамный радиоприемник, содержащий, в соответствии с ближайшим аналогом, последовательно включенные приемную антенну, входную цепь, усилитель высокой частоты, первый асинхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, первый видеоусилитель, дифференцирующую цепь и вертикально-отклоняющие пластины первого осциллографического индикатора, горизонтально-отклоняющие пластины которого соединены с выходом блока формирования частотной развертки, последовательно подключенные к выходу гетеродина фазовращатель на 90°, второй асинхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, второй видеоусилитель и горизонтально-отклоняющие пластины второго осциллографического индикатора, последовательно подключенные к выходу дифференцирующей цепи формирователь импульса, первый ключ, второй вход которого соединен с выходом первого видеоусилителя, и вертикально-отклоняющие пластины второго осциллографического индикатора, при этом управляющие входы входной цепи, усилителя высокой частоты, гетеродина и блока формирования частотной развертки соединены с соответствующими выходами блока управления, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен двумя квадратами, сумматором, блоком извлечения квадратного корня, делителем, блоком определения арктангенса, вторым ключом, измерителем частоты, и блоком регистрации и анализа, причем к выходу первого ключа последовательно подключены первый квадратор, сумматор, второй вход которого через второй квадратор соединен с выходом второго видеоусилителя, блок извлечения квадратного корня и блок регистрации и анализа, к выходу первого видеоусилителя последовательно подключены делитель, второй вход которого соединен с выходом второго видеусилителя, и блок определения арктангенса, выход которого соединен со вторым входом блока регистрации и анализа, к выходу гетеродина последовательно подключены второй ключ, второй вход которого соединен с выходом формирователя импульса, и измеритель частоты, выход которого соединен с третьим входам блока регистрации и анализа.
Структурная схема асинхронного панорамного радиоприемника представлении на фиг.1. Вид возможных осциллограмм показан на фиг.2 и 3. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы асинхронного панорамного радиоприемника, изображены на фиг.4.
Асинхронный панорамный радиоприемник содержит последовательно включенные приемную антенну 1, входную цепь 2, усилитель 4 высокой частоты, первый асинхронный детектор 6, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 5, первый видеоусилитель 8, дифференцирующая цепь 9 и вертикально-отклоняющие пластины первого осциллографического индикатора 10, горизонтально-отклоняющие пластины которого соединены с выходом блока 7 формирования частотной развертки, последовательно подключенные к выходу гетеродина 5 фазовращатель 11 на 90°, второй асинхронный детектор 12, второй вход которого соединен с выходом усилителя 4 высокой частоты, второй видеоусилитель 13 и горизонтально-отклоняющие пластины второго осциллографического индикатора 16, последовательно подключенные к выходу дифференцирующей цепи 9 формирователь 14 импульса, первый ключ 15, второй вход которого соединен с выходом первого видеусилителя 8, и вертикально-отклоняющие пластины второго осциллографического индикатора 16, последовательно подключенные к выходу первого ключа 15 первый квадратор 17, сумматор 19, второй вход которого через второй квадратор 18 соединен с выходом второго видеоусилителя 13, блок 20 извлечения квадратного корня и блок 25 регистрации и анализа, последовательно подключенные к выходу первого видеоусилителя 8 делитель 21, второй вход которого соединен с выходом второго видеусилителя 13, и блок 22 определения арктангенса, выход которого соединен со вторым входом блока 25 регистрации и анализа, последовательно подключенные к выходу гетеродина 5 второй ключ 23, второй вход которого соединен с выходом формирователя 14 импульса, и измеритель 24 частоты, выход которого соединен с третьим входом блока 25 регистрации и анализа. При этом управляющие входы входной цепи 2, усилителя 4 высокой частоты, гетеродина 5 и блока 7 формирования частотной развертки соединены с соответствующими выходами блока 3 управления.
Любой сигнал в самой общей форме может быть представлен в следующем виде
,
где  - комплексная огибающая сигнала;
U(t) - огибающая (изменяющаяся во времени амплитуда) сигнала;
н
с
φ(t)=φ(t)+φ - Фаза сигнала;
н
φ(t) - нелинейная составляющая угла фазы;
с
φ - начальная фаза;
c
ωt - линейная составляющая;
c
c
c
ω - несущая круговая частота (ω=2πf).
В общем случае комплексная огибающая сигнала может быть представлена в виде суммы двух составляющих, т.е.
,
где индекс «в» означает действительную (вещественную) часть, а индекс «м» - мнимую.
Из последнего выражения следует, что
в
м
c
Таким образом, если комплексная огибающая  содержит и действительную U(t), и мнимую U(t) составляющие, то фаза сигнала φ(t) является произвольной функцией времени и, следовательно, сигнал u(t) имеет частотную (угловую) модуляцию.
Принцип работы предлагаемого радиоприемника основан на использовании асинхронного метода приема и измерения несущей частоты импульсных сигналов при быстром поиске по частоте. При этом асинхронные детекторы 6 и 12 обеспечивают перенос огибающей несущей частоты на ноль с разложением на действительную (синфазную) и мнимую (квадратурную) составляющие соответственно.
в
м
Синфазная и квадратурная компоненты на выходах асинхронных детекторов 6 и 12, представляющие соответственно действительную U(t) и мнимую U(t) части комплексной огибающей входного сигнала, могут визуально отображаться в виде осциллограммы в декартовых координатах. Если осциллограмма синхронизируется тактовой частотой принимаемого сигнала с дискретной манипуляцией, то визуальное отображение принимает вид так называемой «глазковой диаграммы».
Более информативным для сигналов с цифровой модуляцией оказывается векторный формат - представление комплексной огибающей в полярных координатах на комплексной плоскости. Модуль вектора отражает мгновенную амплитуду (огибающую) сигнала, а угол - текущее значение фазы. Анализ траектории комплексного вектора при изменении времени позволяет распознать вид модуляции (манипуляции) принимаемого сигнала и оценить ее параметры.
f
п
Асинхронный панорамный радиоприемник работает следующим образом. Поиск импульсных сигналов в заданном диапазоне частот D осуществляется с помощью блока 3 управления, который периодически с периодом Т изменяет по линейному закону частоту гетеродина 5 (фиг.4, а)
г
г
г
г
п
2
u(t)=Ucos(ωt+πγt+φ), 0≤t≤Т,
г
г
г
п
где U, ω, φ, Т - амплитуда, начальная частота, начальная фаза и период повторения частоты гетеродина;
f
п
γ=D/Т - скорость изменения частоты гетеродина (скорость перестройки).
1
Принимаемый импульсный сигнал, например, на частоте ω (фиг.4, а)
1
1
1
1
1
u(t)=Ucos(ωt+φ), 0≤t≤τ,
1
1
1
1
где U, ω, φ, τ - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала;
г
после прохождения приемной антенны 1, входной цепи 2 и усилителя 4 высокой частоты одновременно поступает на первые входы асинхронных детекторов 6 и 12, на вторые входы которых подается напряжение u(t) гетеродина 5 непосредственно и через фазовращатель 11 на 90° соответственно.
г
1
в
м
Характер изменения частоты гетеродина задается блоком 3 управления, который осуществляет одновременно перестройки входной цепи 2, усилителя 4 высокой частоты, гетеродина 5 и блока 7 формирования частотной развертки, при этом соблюдается условие U>>U. Асинхронные детекторы 6 и 12 обеспечивают перенос огибающей несущей частоты на ноль с разложением на действительную U(t) и мнимую U(t) составляющие соответственно.
На выходах асинхронных детекторов 6 и 12 образуются частотно-модулированные колебания с разностной частотой (фиг.4, в)
г
1
2
|Ω(t)|=|ωt+πγt-ω|,
которые выделяются видеоусилителями 8 и 13 соответственно.
г
1
2
При отсчете времени с момента; когда Ω(t) проходит через нулевое значение (ωt+πγt=ω), колебание на выходах асинхронных детекторов 6 и 12 можно представить выражениями:
в
m
0
2
U(t)=U(t)cos(φ-πγt),
м
m
0
1
2
U(t)=U(t)sin(φ-πγt), 0≤t≤τ,
0
где φ - случайная начальная фаза разностного колебания в момент времени t=0;
m
U(t) - огибающая импульсного сигнала на выходе асинхронных детекторов 6 и 12.
01
Обозначая момент нулевых биений через t, колебания на выходе асинхронных детекторов 6 и 12 можно представить в следующем виде:
в
m
0
01
2
U(t)=U(t)cos(φ-πγ(t-t))
м
m
0
01
1
2
U(t)=U(t)sin(φ-πγ(t-t)), 0≤t≤τ,
01
01
0
2
2
Указанные колебания при |πγ(t-t)|>>1 имеют форму, близкую к синусоидальной в пределах одного цикла, а при |πγ(t-t)|<1 форма колебаний сильно искажается, причем характер искажений определяется начальной фазой φ.
Минимальное значение Ω(t) равно
Длительность этой области колебаний приблизительно равна
в
Колебание U(t) с выхода видеоусилителя 8 поступает на вход дифференцирующей цепи 9, на выходе которой образуется напряжение (фиг.4, в)
Отсюда видно, что в момент нулевых биений после дифференцирующей цепи 9 напряжение равно нулю.
0
01
2
Обозначим φ(t)=φ-πγ(t-t), тогда
f
Используя эту особенность, можно более точно измерить мгновенную частоту частотно-модулированного сигнала. Отсчет указанной частоты осуществляется путем визуального наблюдения на экране осциллографического индикатор 10 с линейной разверткой напряжения  и калиброванных меток времени (фиг.2). При этом погрешность в измерении частоты составляет (0,5-1%) от всего рабочего диапазона частот D.
В момент нулевых биений формирователем 14 формируется импульс (фиг.4, г), который поступает на управляющие входы ключей 15 и 23, открывая их. В исходном состоянии ключи 15 и 23 всегда закрыты. При этом низкочастотные напряжения с выходов видеоусилителей 8 и 13 через открытый ключ 15 и непосредственно поступают на вертикально-отклоняющие и горизонтально-отклоняющие пластины осциллографического индикатора 16, формируя на его экране изображение, особенности которого путем визуального наблюдения используются для определения вида модуляции (манипуляции) принимаемого сигнала.
m
Следует отметить, что задача определения вида модуляции (манипуляции) принимаемого сигнала рассматривается как задача определения характера функций U(t) и φ(t), которые в зависимости от способа кодирования передаваемой информации могут иметь как непрерывный, так и дискретный характер.
Возможный вид осциллограмм для сигналов с различными видами модуляции (манипуляции) показан на фиг.3.
в
м
Реальная (вещественная) U(t) и мнимая U(t) составляющие
в
m
0
2
U(t)=U(t)cos(φ-πγt),
м
m
0
1
2
U(t)=U(t)sin(φ-πγt), 0≤t≤τ.
Комплексной огибающей  принимаемого сигнала с выходов видеоусилителей 8 и 13 соответственно поступают на входы квадраторов 17 и 18, на выходе которых образуются следующие напряжения:
Эти напряжения поступают на два входа сумматора 19, на выходе которого образуется суммарное напряжение
которое поступает на вход блока 20 извлечения квадратного корня
1
m
Выходное напряжение U(t) блока 20 извлечения квадратного корня, представляющие собой огибающую импульсного сигнала на выходе асинхронных детекторов 6 и 12, поступает на первый вход блока 26 регистрации и анализа, где производится детальный анализ огибающей U(t) принимаемого сигнала с привлечением технических средств и вычислительной техники.
в
Реальная U(t) и мнимая Uм(t) составляющие с выходов видеоусилителей 8 и 13 соответственно одновременно поступают на два входа делителя 21, на выходе которого образуется напряжение
Это напряжение поступает на вход блока 22 определения арктангенса, на выходе которого образуется фаза принимаемого сигнала
которая поступает на второй вход блока 26 регистрации и анализа.
В момент нулевых биений, когда Ω(t) проходит через нулевое значение
г
1
2
ωt+πγt=ω
г
1
1
открывается ключ 23 и измеритель 24 частоты измеряет частоту ω гетеродина 5 в данный момент времени, которая равна частоте ω принимаемого сигнала. Значение измеренной частоты ω принимаемого сигнала поступает на третий вход блока 25 регистрации и анализа.
1
Описанная выше работа асинхронного панорамного радиоприемника соответствует случаю приема импульсного сигнала на частоте ω (фиг.4, а).
2
Если импульсный сигнал принимается на частоте ω, например, то работа асинхронного панорамного радиоприемника происходит аналогичным образом.
Асинхронный панорамный радиоприемник позволяет визуально с высокой точностью измерить несущую частоту импульсных сигналов, определить вид модуляции (манипуляции) и исключить присущую супергетеродинным панорамным радиоприемникам неоднозначность измерения несущей частоты за счет приема по дополнительным (зеркальному, комбинационным и интермодуляционным) каналам. Это достигается тем, что спектр принимаемого импульсного сигнала высокой частоты переносится в область нулевой частоты с разложением комплексной огибающей на действительную и мнимую составляющие соответственно. Поэтому прием ложных сигналов (помех) по зеркальному комбинационным и интермодуляционным каналам исключается.
Таким образом, предлагаемый асинхронный радиоприемник по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения позволяет не только визуально, но и в автоматическом режиме измерять несущую частоту принимаемого импульсного сигнала и определять вид его модуляции (манипуляции).
Предлагаемый асинхронный панорамный радиоприемник выполняет функцию векторного анализатора, которая реализуется визуально и в автоматическом режиме, и в отличие от измерителей, которые оперируют со скалярными (одномерными) процессами, обрабатывает комплексные огибающие, представляющие амплитуду и фазу принимаемого сигнала. Это позволяет исследовать визуально и в автоматическом режиме амплитудные и фазовые спектры, а также одновременно выделять амплитуду, фазу и частоту принимаемого импульсного сигнала и отображать их в виде спектральных, временных или векторных диаграмм.
Тем самым функциональные возможности известного асинхронного панорамного радиоприемника расширены.