DE2144287C2 - Spektralanalysator - Google Patents

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 vorgeschaiteten Bandfilters annähernd linear verläuft und an den Wobbel-Zeitablauf angepaßt ist.

Derartige Spektralanalysatoren arbeiten in der Weise, daß sie einen vorgegebenen Bereich von Frequenzen (fo bis /0 + Afje'mer Zeitbasis (to bis /0 -I- 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 /"0 + 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 liefert ein Signal, dessen Frequenz sich im Verlauf einer Zeitperiode von (to bis /0 + At) von einer Frequenz (fo + /i) allmählich bis zu einer Frequenz (f₀ + Af+ f\) ändert, d. h. »gewobbelt« ist. Das vom Mischer 2 gelieferte Ausgangssignal wird über ein schmalbandiges Bandpaßfilter 4, dessen Durchlaßbereich auf f\ zentriert ist, auf eine Ausgangsklemme 5 gegeben. An der Ausgangsklemme 5 werden die Ausgangsfrequenzen von (f₀) bis (f₀ + Af) einer Zeit von (Tb) bis (t₀ + At) zugeordnet.

Bei einer solchen Anordnung ist jedoch die

Wobbelgeschwindigkeit^jydes Wobbeigenerators 3 auf

einen unerwünscht niedrigen Wert begrenzt, und zwar wegen der schmalen Bandbreite öf des Filters 4. Je geringer die Bandbreite df 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 (fo) liegende Frequenz kurzzeitig auftreten und wieder verschwinden könnte, während der Analysator denjenigen Teil des Spektrums analysiert, der gerade unterhalb der Frequenz (f₀ + 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

beschriebenen An das in F i g. 1 gezeigte schmalbandigc Filter 4 durch ein breitbandiges Filter 6 mit einer nachgeschalteten frequenzdispersiven Leitung 7 ersetzt Ein derart ausgelegter Spektralanalysator, wie er im Prinzip aus der DDR-Patentschrift 22 666 bekannt ist, ist in Blockform in Fi g. 2 der Zeichnungen dargestellt! Der Durchlaßbereich des Breitbandfilters 6 reicht von der Frequenz f₂ bis zur Frequenz /j, während die Kennlinie der dispersiven Leitung 7 so verläuft, daß die größte Verzögerung bei der Frequenz Λ und die kleinste Verzögerung bei der Frequenz h auftritt. Die Kennlinien des Bandfilters 6 und der dispersiven Leitung 7 sind rechts von diesen beiden Einheiten in der F i g. 2 dargestellt. Zusätzlich wird der Wobbelgenerator 3 veranlaßt, von der Frequenz (f₀ + f₂) bis zur Frequenz (f₀ + Af+ /3) zu wobbeln. Da die Bandbreite (f_} - f₂) des Bandfilters 6 viel größer ist als diejenige des Filters in der Fig. 1, kann die Wobbeizeit (At*) des Wobbelgenerator 3 wesentlich kürzer 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 — 6) überstreichen, welcher um (h - /2) größer ist als derjenige, welcher in der Anordnung gemäß Fig. 1 überstrichen werden muß. Die Zeit At¹ für den Wobbel-Vorgang muß als die Summe aus zwei Teilen angesehen werden, nämlich

A f¹ für das Wobbeln des Bereiches A fund

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

das heißt, A/> = At_x +At₂.
Somit beträgt die Wobbeigeschwindigkeit:

Δ?

At₁

At₂

40

45

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 durchgestimmt 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 Anwendungsfäiie besonders gravierend, wo zum Zwekke einer weiteren Signalverarbeitung die aufeinanderfolgenden schmalen Ausgangsimpulse zueinander in Beziehung gesetzt werden müssen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen mil Frequenzwobbelung arbeitenden Spektralanalysator zu schaffen, 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 frequenzdispersiver Verzögerungsleitung vorgesehen sind, wobei der Durchlaßbereich dieses weiteren Bandfiliers das Impulsspektrum der schmalen Impulse zumindest auf dem frequenzmäßigen Arbeitsbereich der v/eiteren 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 Wobbeigenerators 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 Wobbelspannung 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 Spektrajanalysator 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 WiederhüSfrequenz der Radarimpulse gemacht wird.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiei anhand der Fig.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 (fi) bis zu einer Frequenz

(f_L + Af+h- f₂),

wie es durch die unter dem Block 8 wiedergegebene Kennlinie dargestellt ist. Das Bandfilter 8 empfängt an ₎₀ 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

(f_L + Af + f₃ - f₂) "⁵

minimal verzögert, wie es durch die unterhalb des Blocks 9 dargestellte Kennlinie gezeigt ist. Die Differenz zwischen den Verzögerungen bei den Frequenzen

(fjund (f_L + AfZ h - /2)

ist (At^x). Die Frequenz (f/J 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

- h)

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

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 At\ wiederholt werden, wie es mit der links über den Bandfilter eingezeichneten Wellenform symbolisiert ist, dann entstehen am Ausgang der dispersiven Verzögerungsleitung 9 aufeinanderfolgende Wöbbeihübe in entsprechendem Abstand. Da Au kleiner gemacht wird als At, überlappen sich aufeinanderfolgende 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 /0 + Af) der zu analysierenden Signale liegt, bevor sie mit diesem gemischt werden. Zu diesem Zweck wird das frequenzgewobbelte Ausgangssignal der dispersiven Verzögerungsleitung 9 einem gesonderten Mischer 10 zugeführt, der als zweites Eingangssignal ein Signal der Frequenz

(f_L + fo + Af + f₃)

von einem Überlagerungsoszillator 11 empfängt. Das Ausgangssignal des Mischers 10 gelangt zu einem Bandfilter 12, dessen Durchlaßbereich von (f₀ + /2) bis (fo + Af+ /3) 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 Spektraianalysators 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 At\ wieder. Im Bedarfsfall wird Kohärenz dadurch erreicht, daß die Wiederholungsfrequenz (lAdfi) der dem Bandfilter 8 zugeführten schmalen Impulse phasenstarr mit der Frequenz

(f_L + fo + Af + f₃)

des Überlagerungsoszillators 11 gemacht wird.

Wegen der auf einfache Weise zu erreichenden Kohärenz ist der erfindungsgemäße Spektralanalysatoi besonders gut dazu geeignet, in einem Impuls-Doppler-Radarsystem das Spektrum eines empfangenen Echosignals nach der Entfernungstästung zu analysieren. Das Energiespektrum eines von einein beweglichen Zie ausgesandten Echosignals verteilt sich auf die Frequen

zen (k+fdX (k+fd±Af), (k+fd±2Af)... usw., wobei / die Zwischenfrequeriz des Radarsystems, /jdie Doppier-Frequenzverschiebung aufgrund des beweglichen Ziele; und A/die Radarimpuls-Wiederholfrequenz ist.
Alle diese Frequenzen können in eine feste Phasenbeziehung gebracht werden, da in einen Impuls-Doppler-Radarsystem die Frequenz fo starr mi Af gekoppelt werden kann. Somit zeigt das Ausgangs signal der Spektralanalyse zugleich eine Dopplerfre quenz fd = 0 (stationäres Ziel) am Beginn eine Wobbeihubs und eine Frequenz /j + 4/"·= Af am Endi des vorhergehenden Wobbeihubs. Diese Signale überla gern sich in kohärenter Weise und verstärken sich somi anstatt sich abzuschwächen.

30

35

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. 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 _t0 breitbandiges Filter und über eine frequenzdispersive Leitung der Auswertung zugeführt sind, wobei die Laufzeitcharakleristik der dispersiven Leitung über die Frequenz innerhalb der Eckfrequenzen des vorgeschalteten Bandfilters annähernd 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 nachgeschaitetes weiteres Bandfilter (8) mit anschließender weiterer frequenzdispersiver Verzögerungsleitung (9) vorgesehen sind, wobei der Durchlaßbereich dieses weiteren Bandfilter (8) das Impulsspektrum der schmalen Impulse zumindest auf den frequenzmäßigen Arbeitsbereich der weiteren dispersiven Verzögerungsleitung (9) begrenzt und die Verzögerungskennlinie 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 mit einer Spannung konstanter Frequenz speisenden Überlagerungsoszillator (11) und einem dem zweiten Mischer (10) nachgeschalteten zweiten Bandfilter(12) bestehende Umsetzerstufe 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 multiplikativer 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 vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiederholfrequenz des Impulsgenerators mit der Frequenz des Überlagerungsoszillator (11) phasenstarr gemacht ist.

8. Spektralanalysator nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch seine Anwendung bei der Analyse der von einer Radaranlage empfangenen Echosignale nach der Entfernungstastung, wobei die Wiederholfrequenz des Impulsgenerators gleich der Wiederholfrequenz der Radarimpulse gemacht wird.