Способ и устройство измерения несущей частоты радиоимпульса

Изобретение относится к области радиотехники, а более конкретно - к технике радиоизмерений и может быть применено в устройствах радиопротиводействия и радиоразведки.
Известен способ измерения несущей частоты радиоимпульсных сигналов (см. а.с. СССР №432414, МКИ G01r 23/02, заявка 1766809/10, авторов Ипатовой И.А. и Овчинниковой А.Б.).
По этому способу измеряемая частота радиоимпульса сравнивается с опорной частотой гармонического сигнала, которая в 2⋅n раз (где n - целое число) выше частоты измеряемого сигнала. Из напряжения опорной частоты формируются короткие импульсы, которыми модулируют по яркости изображения радиоимпульса на экране электронно-лучевой трубки. При сравнении одновременно с частотой изменяют фазу опорного сигнала до размещения меток в виде горизонтальных параллельных линий.
Недостатком этого способа является то, что он не может быть применен в автоматических системах, т.к. для его осуществления необходимо применять электронно-лучевую трубку, что требует присутствия оператора, регулирующего вручную опорный генератор.
Другим существенным недостатком способа по a.c. №432414 является то, что он не может быть применен к одиночным импульсам, т.к. для измерения необходимо тратить значительное время, которое значительно превышает время существования импульса.
Из-за указанных недостатков способ по а.с. №432414 не пригоден для использования его в аппаратуре радиоразведки и радиопротиводействия, т.к. при его применении будет теряться большая часть информации по обнаружению сигнала.
Известен также способ измерения несущей частоты радиоимпульса, по которому измерение частоты радиоимпульса производится путем сравнения ее с частотами настройки полосовых фильтров, разделенных на две группы, относящийся к системам, определяющим однозначно частоту проходящего через них радиоимпульса. (см., например, патент Франции №1605302, МКИ G01r 23/00, опубл. 2 августа 1974 г.).
Устройство, осуществляющее этот способ, представляет собой панорамное устройство с разрешающей способностью, Панорамное устройство содержит два приемника, имеющих соответственно "m" и "n" фильтров. Числа "m" и "n" являются простыми по отношению друг к другу и их произведение равно "М". Приемник обеспечивает возможность однозначного определения полос Δƒ, в которые попадает принятый сигнал.
Способ измерения заключается в том, что частота измеряемого импульса сравнивается с частотами настройки полосовых фильтров и определяется принадлежность частоты проходящего радиоимпульса к одному из фильтров, полоса пропускания которого определяет точность измерения, затем частота этого импульса сдвигается до величины, входящей в более узкий, чем исходный, диапазон частот. Далее процесс повторяется до достижения заданной точности измерения.
В устройстве по осуществлению способа применяются несколько частотных фильтров, разбивающих весь диапазон измеряемых частот на несколько более узких поддиапазонов. На выходах этих фильтров имеются преобразователи частоты, преобразующие все полученные поддиапазоны к одному диапазону. Кроме того, имеются детекторы и видеоусилители, обеспечивающие индикацию прохождения сигнала по тому или другому фильтру и, таким образом, определяется частота радиоимпульса с малой точностью (I-я ступень определения).
Далее полученный более узкий, чем исходный, диапазон частот снова разбивается на несколько еще более узких диапазонов, на каждый из которых настроены полосовые фильтры. На эти фильтры, включенные параллельно, поступает радиоимпульс с первой ступени определения и по прохождению его по тому или другому фильтру определяется его частота с точностью, более высокой, чем в предшествующей I-й ступени.
Далее, способом аналогичным указанному выше, может быть произведено следующее уточнение частоты и т.д.
Известные способы, как по патенту №1605302, обладают следующими недостатками.
Измеряемая частота по указанным известным способам сравнивается с частотами настройки полосовых фильтров. Поэтому для перекрытия широкого диапазона и достижения возможно более высокой точности измерения, что является одним из основных требований для аппаратуры радиоразведки и радиопротиводействия, требуется применение большого количества полосовых фильтров, занимающих большой объем. Разветвления по фильтрам, большое количество устройств индикации и анализа увеличивают громоздкость устройства. Поэтому в целом аппаратура, построенная по известным способам, сложна по построению, имеет сравнительно большие габариты и вес.
Другим недостатком является то, что сигналы, частоты которых по значению являются близкими к границам полос пропускания полосовых фильтров, могут проходить по двум соседним по частотам фильтрам. Это приводит к ошибкам и неоднозначностям в определении частот.
Существенным недостатком является также то, что в устройствах, реализующих известные способы, фильтры настроены на разные частоты. Поэтому они сложны и дороги в производстве.
Целью настоящего изобретения является упрощение процесса измерения по сравнению с известными и реализация более простого устройства.
Указанная цель достигается тем, что частоту сигнала сдвигают, а сдвинутую частоту запоминают на время τ, затем сдвигают запомненную частоту на величину одного дискрета и на время τ запоминают сигнал на новой частоте и далее процесс продолжают до достижения равенства сдвинутой частоты с опорной частотой с точностью одного дискрета. По суммарному сдвигу и значению опорной частоты определяют первоначальную частоту сигнала.
Упрощение устройства достигается тем, что в него введена линия задержки и выход усилителя соединяется с его входом через последовательно включенные преобразователь частоты, линию задержки и второй преобразователь. С помощью этих устройств производится сдвиг и запоминание получаемых частот. При этом многократно используются одни и те же элементы. Это обстоятельство упрощает аппаратуру. Значение измеряемой частоты определяется по частоте настройки фильтра и по суммарному сдвигу частоты.
На рисунке изображена схема устройства, осуществляющего предлагаемый способ.
Устройство содержит усилитель 1, к выходу которого в цепи обратной связи последовательно подсоединены смеситель 2 с подключенным к нему гетеродином 3, линия задержки 4, смеситель 5, с подключенными к нему гетеродинами 6 и 7. Выход смесителя 5 соединен с входом усилителя 1. Кроме того, к цепи обратной связи через детектор 8, а также через фильтр 9 и детектор 10 подключен счетчик времени 11, соединенный через схему управления 12 с гетеродинами 6 и 7.
1
2
1
2
2
Коэффициент усиления усилителя 1 имеет такую величину, которая достаточна для компенсации потерь при прохождении сигнала по цепи обратной связи и потерь на преобразование частоты сигнала. Полоса частот усиливаемых усилителем 1 сигналов не превышает необходимой полосы измеряемых частот входного сигнала. Частота гетеродина 6 ниже частоты гетеродина 3 на величину Δƒ. Частота гетеродина 7 выше гетеродина 3 на величину Δƒ. Величина Δƒ больше величины Δƒ и определяет первую степень точности при измерении, а величина Δƒ определяет вторую степень точности.
1
Полоса пропускания фильтра 9 соответствует нижнему участку диапазона частот измеряемого сигнала, а ширина этой полосы выбрана несколько большей или равной величине Δƒ. В качестве опорной частоты в предлагаемом устройстве используется верхняя граничная частота полосового фильтра 9.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
1
1
1
1
Входной радиоимпульс поступает на вход усилителя 1, после усиления он детектируется детектором 8 и запускает счетчик времени 11. Кроме этого радиоимпульс поступает на смеситель 2, где в соответствии с предлагаемым способом производится сдвиг частоты радиоимпульса на величину, равную частоте гетеродина 3. Затем производится запоминание сдвинутого по частоте сигнала на время τ. Для этого сигнал с выхода смесителя 2 поступает на линию задержки 4. После этого, в соответствии с заявляемым способом, осуществляют сдвиг полученной частоты сигнала на величину одного дискрета Δƒ. Это производится путем двойного преобразования частоты на смесителях 5 и 2. Запомненный на линии задержки 4 сигнал поступает на вход смесителя 5, а на другой его вход подается напряжение гетеродина 6. На выходе смесителя 5 с помощью усилителя 1 выделяется сигнал суммарной частоты и поступает на смеситель 2, совместно с напряжением гетеродина 3. На выходе смесителя 2 выделяется сигнал на разностной частоте и далее он запоминается на линии задержки 4. Поскольку частота гетеродина 6 ниже частоты гетеродина 3 на величину Δƒ, то частота вновь запомненного сигнала на величину Δƒ ниже частоты ранее запомненного сигнала, т.е. таким образом производится сдвиг частоты на величину Δƒ относительно частоты ранее запомненного сигнала.
1
Преобразование частот производится в замкнутой цепи, поэтому в устройстве происходит циркуляция сигнала. При этом после каждого цикла частота циркулирующего сигнала как на выходе усилителя 1, так и на выходе смесителя 2 смещается в сторону понижения на величину Δƒ.
Этот процесс производится до того момента, когда частота циркулирующего сигнала станет ниже верхней граничной частоты полосового фильтра 9. В этот момент на выходе фильтра 9 появится напряжение, которое после детектирования детектором 10 подается на счетчик времени 11 и останавливает его.
1
1
1
1
1
Таким образом, в соответствии с заявляемым способом, определяется время T от начала процесса измерения до достижения равенства сдвигаемой частоты с опорной частотой. Поскольку время Τ равно общему времени, затраченному на все циклы циркуляции, а время τ определяет один цикл, то количество циклов равно отношению  (при дробном значении этого отношения, получение которого возможно из-за неточностей измерения, берется только целая его часть). В каждом цикле производилось изменение частоты циркулирующего сигнала на величину Δƒ. Поэтому общий сдвиг определяется произведением отношения  на Δƒ. В данном конкретном примере частота сигнала понижалась до равенства ее с опорной частотой (с точностью Δƒ). Поэтому частота измеряемого сигнала для приведенной схемы равна
0
где F - верхняя граничная частота полосового фильтра 9.
1
Таким образом в устройстве производится измерение частоты с точностью Δƒ.
2
2
1
2
2
Для увеличения точности измерения в предлагаемом устройстве введен гетеродин 7, который настроен на частоту, имеющую значение на величину выше, чем частота гетеродина 3. Поэтому при включении гетеродина 7 (и выключении гетеродина 6) частота циркулирующего сигнала будет повышаться в каждом цикле на величину Δƒ, т.е. в этом случае сдвиг частоты циркулирующего сигнала будет равен Δƒ в каждом цикле. Включение гетеродина 7 и выключение гетеродина 6 производится схемой управления 12 после окончания времени T. Это производится при появлении сигнала в фильтре 9. После включения гетеродина 7 частота циркулирующего сигнала будет повышаться и в некоторый момент времени станет по своему значению большей, чем верхняя граничная частота фильтра 9, и поэтому в этот момент времени сигнал на выходе фильтра 9 исчезнет. Время T после включения гетеродина 7 до исчезновения сигнала в фильтре 9 измеряется счетчиком времени II, Частота сигнала с точностью Δƒ для приведенной схемы будет равна
Предлагаемый способ выгодно отличается от ранее известных тем, что по этому способу производится более простые и однообразные операции, сводящиеся к сдвигу частоты и запоминанию сигнала на сдвинутой частоте. Простота предлагаемого способа определяется тем, что сдвиг осуществляется несколько раз на одну и ту же величину, а сравнение производится только с одной опорной частотой.
В ранее известном способе производится сравнение частоты сигнала с несколькими опорными частотами одновременно, а сдвиги частоты сигнала осуществляются на разные величины. Поэтому устройства, использующие предлагаемый способ, по своему построению более просты, чем устройства, использующие ранее известные способы, при аналогичных технических характеристиках этих устройств.
Это объясняется тем, что предлагаемый способ дает возможность многократно использовать одни и те же элементы. Кроме того, для получения информации о частоте сигнала в предлагаемом устройстве используется только одно индикаторное устройство, тогда как в ранее известных устройствах необходимо применять несколько десятков индикаторов. Это также упрощает предлагаемое устройство по сравнению с ранее известным. Так, например, известное устройство содержит в первой ступени определения частоты 3 усилителя высокой частоты, 15 фильтров, 15 индикаторов, 15 гетеродинов, 15 детекторных головок с видеоусилителями, а во второй ступени определения частоты применено по 40 аналогичных узлов. Общий вес известного устройства составляет, примерно, 30 кг. Общий вес устройства, реализующего предлагаемый способ, составит не более 6-8 кг, т.е. оно будет в 4-5 раз легче, чем известные устройства с аналогичными параметрами.
Таким образом, предлагаемые способ и устройства проще, чем ранее известные, поэтому они значительно надежнее, легче по весу и могут найти более широкое применение, чем ранее известные.