DE2144287B2

DE2144287B2 - Spektralanalysator

Info

Publication number: DE2144287B2
Application number: DE19712144287
Authority: DE
Inventors: Malcolm Geoffrey Chelmsford; Musson Joseph Thomas Barrow; Westcliff-on-Sea Essex; Cross (Großbritannien)
Original assignee: Marconi Co Ltd
Current assignee: BAE Systems Electronics Ltd
Priority date: 1970-09-04
Filing date: 1971-09-03
Publication date: 1977-01-20
Also published as: DE2144287A1; AU3245671A; FR2105266B1; NL7111571A; GB1299023A; FR2105266A1; US3729738A

Description

Die Erfindung betrifft einen Spektralanalysator mit einem Wobbelgenerator zur Erzeugung einer periodisch in der Frequenz gewobbelten Überlagerungsspannung, die einem ersten Mischer zusammen mit den zu analysierenden elektrischen Signalen zugeführt wird und an dessen Ausgang diese Signale in der Frequenz umgesetzt und periodisch gewobbelt erscheinen und über ein breitbandiges Filter und über eine frequenzdispersive Leitung der Auswertung zugeführt sind, wobei die Laufzeitcharakteristik der dispersiven Leitung über die Frequenz innerhalb der Eckfrequenzen des vorgeschalteten Bandfilters annähernd linear verläuft und an den Wobbel-Zeitablauf angepaßt ist.

Derartige Spektralanalysatoren arbeiten in der Weise, daß sie einen vorgegebenen Bereich von Frequenzen (f₀ bis f₀ + Aßeiner Zeitbasis (to bis fo + At) zuordnen. In F i g. 1 der Zeichnungen ist das bekannte Prinzip eines solchen Spektralanalysators mittels eines Blockschaltbildes veranschaulicht. Gemäß dieser Darstellung werden die zu analysierenden Signale, die Frequenzen innerhalb des Bereichs (f₀ bis f₀ + Af) enthalten, an einer Eingangsklemme 1 zugeführt und von dort auf einen Mischer 2 gegeben, der ein zweites Eingangssignal von einem Wobbelgenerator 3 empfängt. Der Wobbelgenerator 3 Hefen ein Signal, dessen Frequenz sich im Verlauf einer Zeitperiode von (to bis ίο + At) von einer Frequenz (f₀ + U) allmählich bis zu einer Frequenz (h + Af+ U) ändert, d. h. »gewobbelt« ist. Das vom Mischer 2 gelieferte Ausgangssignal wird über ein schmalbandiges Bandpaßfilter 4, dessen Durchlaßbereich auf U zentriert ist, auf eine Ausgangsklemme 5 gegeben. An der Ausgangsklemme 5 werden die Ausgangsfrequenzen von (f₀) bis (k + Af) einer Zeit von (to) bis (to + At) zugeordnet.

Bei einer solchen Anordnung ist jedoch die

Wobbelgeschwindigkeit-p-des Wobbeigenerators 3 auf

einen unerwünscht niedrigen Wert begrenzt, und zwar wegen der schmalen Bandbreite öf des Filters 4. Je geringer die Bandbreite öf dieses Filters ist, um so geringer muß die Wobbeigeschwindigkeit sein. Langsame Wobbeigeschwindigkeiten führen jedoch zu einer schlechten Ausnutzung der verfügbaren Signalenergie, da beispielsweise im zu analysierenden Signal eine etwas über (f₀) liegende Frequenz kurzzeitig auftreten und wieder verschwinden könnte, während der Analysator denjenigen Teil des Spektrums analysiert, der gerade unterhalb der Frequenz (f₀ -t- Af) liegt Je geringer die Wobbeigeschwindigkeit ist, desto größer ist die Gefahr, daß kurzzeitig auftretende Frequenzen bei der Analyse unberücksichtigt bleiben.

Man kann diesen Nachteil dadurch vermeiden, daß man wie bei dem Spektralanalysator der eingangs

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beschriebenen An das in F i g. 1 gezeigte sehmalbandige filter 4 durch ein breitbandiges Filter 6 mit einer nachgeschalteten frequenzdispersiven Leitung 7 ersetzt gin derart ausgelegter Spektralanalysator, wie er im Prinzip aus der DDR-Patentschrift 22 66¹» bekannt ist, ist in Blockform in F i g. 2 der Zeichnungen dargestellt Per Durchlaßbereich des BreitbandPkers 6 reicht von der Frequenz h bis zur Frequenz 4 während die Kennlinie der dispersi ven Leitung 7 so verläuft daß die größte Verzögerung bei der Frequenz /₂ und die kfcaste Verzögerup« bei der Frequenz /₃ auftritt Die Kennlinien des Bandfilters 6 und der aispersiven Leitung 7 sind rechts von diesen beiden Einheiten in der Fig.2 dargestellt Zusätzlid ι wird der Wobbelgenerator 3 veranlaßt von der Frequenz (f₀ + /₂) bis zur Frequenz (h + Af + /₃) zu wobbeln. Da die Bandbreite (h - f₂) des Bandfilters 6 viel größer ist als diejenige des Filters in der Fig. 1, kann die Wobbeizeit (Au) des Wobbelgenerators 3 wesentlich kurzer gehalten sein, wobei sie sich tatsächlich dem theoretischen Minimum nähert Die dispersive Leitung 7 bewirkt eine Phasenkompensation des Ausgangssignals vom Bandfilter 6 derart daß das endgültige Ausgangssignal an der Ausgangsklemme 5 ein schmaler Impuls ist, und zwar mit derselben Auflösung (Af) wie sie auch erreicht wäre, wenn die Anordnung der F i g. 1 verwendet würde.

Wie jedoch oben bereits ausgeführt wurde, muß der Wobbelgenerator 3 nunmehr einen Frequenzbereich von insgesamt (Af + /j - f₂) überstreichen, welcher um (h - /2) größer ist als derjenige, welcher in der Anordnung gemäß F i g. 1 überstrichen werden muß. Die Zeit Af für den Wobbel-Vorgang muß ais die Summe aus zwei Teilen angesehen werden, nämüch

Jf¹ für das Wobbeln des Bereiches Δ /'und

A t₂ für das Wobbeln des Bereiches /3 - f₂,

das heißt Jt¹ = Ah + At₇.
Somit beträgt die Wobbeigeschwindigkeit:

'/ + /3 - /2 ₌ j/ ₌ ArA

it¹ It₁ Ii₂ ■

Obwohl die Anordnung gemäß Fig.2 eine kurze Wobbeizeit ermöglicht leidet sie an einer Reihe von Nachteilen:

Die Ausgangssignale erscheinen an der Ausgangsklemme 5 nur während der Zeit At\. Die Zeit At₂ ist praktisch verlorene Zeit, so daß der Wirkungsgrad der Anordnung klein ist Außerdem ergeben sich bei Verwendung herkömmlicher spannungsgesteuerter Oszillatoren als Wobbeigeneratoren Schwierigkeiten mit dem Sägezahnsignal, mit welchem der Oszillator zur wiederholten Wobbelung periodisch durchgesiimmt wird. Da ein plötzlicher Rücklauf der sägezahnförmigen Steuerspannung an jedem Ende eines Durchlaufs erfolgt entstehen unerwünschte Einschwingvorgänge, die erst abklingen müssen, bevor der nächste Durchlauf begonnen wird. Schließlich sind die Frequenzen in aufeinanderfolgenden Wobbeihüben nicht phasenkohärent. Dies hat zur Folge, daß die Trägerfrequenz des schmalbandigen Ausgangsimpulses an der Klemme 5 der Figur sich von Wobbeihub zu Wobbeihub in ihrer Phase ändert und zwar in unregelmäßiger Folge. Dieser letztgenannte Nachteil ist insbesondere für diejenigen Anwendungsfälle besonders gravierend, wo zum Zwekke einer weiteren Signalverarbeitung die aufeinanderfolgenden schmalen Ausgangsimpulse zueinander in Beziehung gesetzt werden müssen.

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60 Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen mit Frequenzwobbeiung arbeitenden Spektralanalysator zu schaffer», der mit besserem Wirkungsgrad als die bekannten Anordnungen arbeitet und dessen Wobbelgenerator nicht unter Rücklauf-Einschwingvorgängen leidet Gleichzeitig soll mit der Erfindung die Möglichkeit geschaffen werden, im Bedarfsfall auf einfache Weise Kohärenz zwischen den Frequenzen aufeinanderfolgender Wobbeihübe zu erreichen. Bei einem Spektralanalysator der eingangs beschriebenen Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst daß als Wobbelgenerator ein Impulsgenerator, der eine Folge relativ schmaler Impulse erzeugt ein diesem nachgeschaltetes weiteres Bandfilter mit anschließender weiterer frequenzdisperxiver Verzögerungsleitung vorgesehen sind, wobei der Durchlaßbereich dieses weiteren Bandfilters das Impulsspektrum der schmalen Impulse zumindest auf dem frequenzmäßigen Arbeitsbereich der weiteren dispersiven Verzögerungsleitung begrenzt und die Verzögerungskennlinie dieser Leitung so gewählt ist daß eine mit der Zeit im Takte der schmalen Impulse periodisch frequenzgewobbelte Ausgangsspannung entsteht.

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Wobbelgenerator benötigt man keine Sägezahnspannungen zur Durchführung des Wobbeihubs, so daß die Einschwingvorgänge beim plötzlichen Rücklauf dieser Spannungen entfallen und die einzelnen Wobbeihübe dichter aufeinander folgen können.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Wobbelgenerator und dem ersten Mischer eine aus einem zweiten Mischer und einem diesen mit einer Spannung konstanter Frequenz speisenden Überlagerungsoszillator und einem dem zweiten Mischer nachgeschalteten zweiten Bandfilter bestehende Umsetzerstufe geschaltet, die die Wobbel· spannung in einen Frequenzbereich umsetzt, der näher an dem Frequenzbereich der zu analysierenden Spannungen liegt wobei das zweite Bandfilter auf ein Seitenband des Mischprodukts aus dem zweiten Mischer abgestimmt ist Wenn der neue Frequenzbereich unterhalb des Frequenzbereichs der zu analysierenden Spannungen liegt, dann ist das zweite Bandfilter auf das obere Seitenband des Mischprodukts aus dem zweiten Mischer abgestimmt. Soll der neue Frequenzbereich oberhalb des Frequenzbereichs der zu analysierenden Spannungen liegen, dann ist das zweite Bandfilter auf das untere Seitenband des erwähnten Mischprodukts abgestimmt.

Eine Kohärenz zwischen den Frequenzen aufeinanderfolgender Wobbeihübe wird auf einfache Weise erreicht, wenn man in einer Ausgestaltung der Erfindung die Wiederholfrequenz des Impulsgenerators mit der Frequenz des Überlagerungsoszillators phasenstarr macht. Insbesondere in dieser Ausgestaltung ist der erfindungsgemäße Spektralanalysator zur Anwendung in der Radartechnik geeignet. Eine Weiterbildung der Erfindung besteht daher in der Anwendung dieses Spektralanalysators bei der Analyse der von einer Radaranlage empfangenen Echosignale nach Entfernungstastung, wobei die Wiederholfrequenz des Impulsgenerators gleich der Wiederholfrequenz der Radarimpulse gemacht wird.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel anhand der F i g. 3 der Zeichnungen erläutert

Fig.3 zeigt in Blockform den Aufbau eines erfindungsgemäßen Spektralanalysators. Der in diesem

Analysator vorhandene Wobbelgenerator umfaßt ein Bandfilter 8, eine dispersive Verzögerungsleitung 9, einen Mischer 10, einen Überlagerungsoszillator 11 sowie ein weiteres Bandfilter 12. Der Durchlaßbereich des ersten Bandfilters 8 reicht von einer Frequenz (ft) bis zu einer Frequenz

(f_L + Af + fi - f₂),

wie es durch die unter dem Block 8 wiedergegebene Kennlinie dargestellt ist. Das Bandfilter 8 empfängt an seinem Eingang eine Reihe schmaler Impulse und ist mit seinem Ausgang auf eine dispersive Verzögerungsleitung gekoppelt, die bei der Frequenz (fi) maximal und bei der Frequenz

(ft + Af+ U- fi)

minimal verzögert, wie es durch die unterhalb des

Blocks 9 dargestellte Kennlinie gezeigt ist. Die

Differenz zwischen den Verzögerungen bei den Frequenzen

(fiJuna(f_L + Af 3 h - 6)

ist (At¹). Die Frequenz (fi) wird entsprechend dem jeweils gewünschten Teil der Kennlinie der dispersiven Verzögerungsleitung 9 gewählt.

Das Bandfilter 8 hat die Aufgabe, das Spektrum der ihm zugeführten Impulse auf den gewünschten Arbeitsbereich der dispersiven Verzögerungsleitung 9 zu begrenzen. Die dem Bandfilter 8 zugeführten Impulse sollten so schmal sein, daß sie im Bereich von

+ Af+ h- h)

ein im wesentlichen flaches Frequenzspektrum haben. Die Verzögcrungskennlinie der dispersiven Leitung 9 35 sollte zwischen den Eckfrequenzen des Bandfilters 8 linear verlaufen. Weiterhin sollten nennenswerte Phasenänderungen, welche durch das Bandfilter 8 verursacht werden, durch eine entsprechende Auslegung der dispersiven Leitung 9 kompensiert werden. 40

Jeder der am Eingang des Bandfilters 8 zugeführten schmalen Impulse führt dazu, daß am Ausgang der dispersiven Verzögerungsleitung 9 ein frequenzgewobbeltes Signal erscheint Wenn die Impulse in Zeitintervallen von Au wiederholt werden, wie es mit der links ₄₅ über den Bandfilter eingezeichneten Wellenform symbolisiert ist dann entstehen am Ausgang der dispersiven Verzögerungsleitung 9 aufeinanderfolgende Wobbeihübe in entsprechendem Abstand. Da A t\ kleiner gemacht wird als At, überlappen sich aufeinan- 50 derfolgende Wobbeihübe. Die Wobbeihübe laufen von hohen zu niedrigen Frequenzen, und gewöhnlich ist es erforderlich, sie in einen höheren Frequenzbereich umzusetzen, welcher näher an dem Frequenzbereich (fo bis δ 4· Af) der zu analysierenden Signale liegt bevor ₅₅ sie mit diesem gemischt werden. Zu diesem Zweck wird das freqnenzgewobbelte Ansgangssignal der dispersi-10 zugeführt, der als zweites Eingangssignal ein Signal der Frequenz

(f_L + fo + Af+ fi)

von einem Überlagerungsoszillator 11 empfängt. Das Ausgangssignal des Mischers 10 gelangt zu einem Bandfilter 12, dessen Durchlaßbereich von (k + /2) bis (fo + Af+ fi) reicht. Dieses Bandfilter läßt im vorliegenden Fall das obere Seitenband des Mischprodukts aus den Mischer 10 durch.

Das Ausgangssignal des Bandfilters 12 wird auf einen Eingang des Mischers 2 gegeben, der ebenso wie der Mischer 2 aus Fig.2 an seinem anderen Eingang 1 die zu analysierenden Signale zugeführt bekommt. Das Ausgangssignal des Mischers 2 gelangt über ein Breitbandfilter 6 zu einer dispersiven Verzögerungsleitung 7, von wo es auf den Ausgang 5 des Spektralanalysators gegeben wird. Der den Mischer 2, das Breitbandfilter 6 und die dispersive Verzögerungsleitung 7 enthaltende Teil der in Fig.3 gezeigten Anordnung arbeitet in gleicher Weise wie der entsprechende Teil der Anordnung nach F i g. 2.

Es besteht die Gefahr, daß im Mischer 10 oder 2 unerwünschte Mischprodukte erzeugt werden. Da dies besonders im Fall des Mischers 2 sehr störend ist, ist zumindest dieser Mischer als multiplikativer Mischer ausgebildet.

Das am Ausgang 5 entnehmbare Ausgangssignal gibt mit unmittelbar aufeinanderfolgenden Wiederholungen das Spektrum im Bereich von (fo) bis (f₀ + Af)jeweils in einer Zeit Ah wieder. Im Bedarfsfall wird Kohärenz dadurch erreicht, daß die Wiederholungsfrequenz (\IAt\) der dem Bandfilter 8 zugeführten schmalen Impulse phasenstarr mit der Frequenz

(f_L + fo + Af + fi)

des Überlagerungsoszillators 11 gemacht wird.

Wegen der auf einfache Weise zu erreichenden Kohärenz ist der erfindungsgemäße Spektralanalysator besonders gut dazu geeignet in einem Impuls-Doppler-Radarsystem das Spektrum eines empfangenen Echosignals nach der Entfernungstastung zu analysieren. Das Energiespektrum eines von einem beweglichen Ziel ausgesandten Echosignals verteilt sich auf die Frequenzen (fo+fd), (fo + fd±Af), (fo+fd±2Af)...\isv/^ wobei R die Zwischenfrequenz des Radarsystems, /",/die Doppier-Frequenzverschiebung aufgrund des beweglichen Zieles und Af'die Radarimpuls-Wiederholfrequenz ist

Alle diese Frequenzen können in eine feste Phasenbeziehung gebracht werden, da in einem Impuls-Doppler-Radarsystem die Frequenz f₀ starr mit ^/gekoppelt werden kann. Somit zeigt das Ausgangssignal der Spektralanalyse zugleich eine Dopplerfrequenz fd - 0 (stationäres Ziel) am Beginn eines Wobbeihubs und eine Frequenz f_d + Af= Mom Ende

vesa VerzögeramgsleilHagii einem gesonderter Mischer gern sich in kohärenter Weise und verstärken sich sorak anstatt sich abzuschwächen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

#695

Claims

Patentansprüche:

1. Spektralanalysator mit einsin Wobbelgenerator zur Erzeugung einer periodisch in der Frequenz gewobbelten Oberlagerungsspannung, die einem ersten Mischer zusammen mit den zu analysierenden elektrischen Signalen zugeführt wird und an dessen Ausgang diese Signale in der Frequenz umgesetzt und periodisch gewobbek erscheinen und über ein breitbandiges Filter und über eine frequenzdispersive Leitung der Auswertung zugeführt sind, wobei die Laufzeitcharakteristik der dispersive« Leitung über die Frequenz innerhalb der Eckfrequenzen des vorgeschalteten Bandfilters «innähernd linear verläuft und an den Wobbel-Zeitablauf angepaßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Wobbelgenerator ein Impulsgenerator, der eine Folge relativ schmaler Impulse erzeugt, ein diesem Jiachgeschaltetes weiteres Bandfilter (8) mit anschließender weiterer frequenzdispersiver Verzögerungsleitung (9) vorgesehen sind, wobei der Durchlaßbereich dieses weiteren Bandfilters (8) das Impulsspektrum der schmalen Impulse zumindest auf den frequenzmäßigen Arbeitsbereich der weiteren dispersiven Verzögerungsleitung (9) begrenzt und die Verzögerungskennlir ie dieser Leitung so gewählt ist, daß eine mit der Zeit im Takte der schmalen Impulse periodisch frequenzgewobbelte Ausgangsspannung entsteht.

2. Spektralanalysator nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wobbelgenerator und dem ersten Mischer eine aus einem zweiten Mischer (10) und einem diesen mil einer Spannung konstanter Frequenz speisenden Gberlagerungsoszillator (11) und einem dem zweiten Mischer (10) nachgeschalteten zweiten Bandfilter (12) bestehende Umset/erstufe geschaltet ist, die die Wobbelspannung in einen Frequenzbereich umsetzt, der näher an dem Frequenzbereich der zu analysierenden Spannungen liegt, und wobei das zweite Bandfilter (12) auf ein Seitenband des Mischprodukts aus dem zweiten Mischer(10) abgestimmt ist.

3. Spektralanalysator nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzerstufe (10, 11, 12) die Wobbeispannung in einen Frequenzbereich umsetzt, der unterhalb des Frequenzbereichs der zu analysierenden Spannungen liegt, wobei das zweite Bandfilter (12) auf das obere Seitenband des Mischprodukts aus dem zweiten Mischer (10) abgestimmt ist.

4. Spektralanalysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzerstufe (10, 11, 12) die Wobbeispannung in einen Frequenzbereich umsetzt, der oberhalb des Frequenzbereichs der zu analysierenden Spannungen liegt, wobei das zweite Bandfilter (12) auf das untere Seitenband des Mischprodukts aus dem zweiten Mischer (10) abgestimmt ist.

5. Spektralanalysator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß erste Mischer (2) ein mültiplikativer Mischer ist.

6. Spektralanalysator nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeitcharakteristik der weiteren dispersiven Verzögerungsleitung (9) über die Frequenz innerhalb der Eckfrequenzen des dieser Verzögerungsleitung vorgeschalteten Bandfilters (8) linear verläuft

7. Spektralanalysator nach einem der vot hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiederholfrequenz des Impulsgenerators mit der Frequenz des Oberlagerungsoszillators (11) phasenstarr gemacht ist

8. Spektralanalysator nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch seine Anwendung bei der Analyse der von einer Radaranlage empfangeneu Echosignale nach der Entfernungstastung, wobei die Wiederholfrequenz des Impulsgenerators gleich der Wiederholfrequenz der Radarimpulse gemacht wird.