DE4227858A1

DE4227858A1 - Empfänger zur Messung der Frequenz von einem oder mehreren simultan empfangenen pulsförmigen Signalen

Info

Publication number: DE4227858A1
Application number: DE19924227858
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Pabel
Original assignee: Alcatel SEL AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1992-08-22
Filing date: 1992-08-22
Publication date: 1994-02-24

Description

Die Erfindung betrifft einen Empfänger zur Messung der Frequenz von einem oder mehreren simultan empfangenen pulsförmigen Signalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Empfänger zur augenblicklichen Frequenzmessung, sogenannte IFM (= Instantaneous Frequency Measuring) - Empfänger dienen zur Bestimmung der Frequenz kurzzeitig emittierender HF-Quellen. Zum Beispiel kann ein IFM-Empfänger als Radar-Warn-Empfänger verwendet werden, dessen Frequenzmeßergebnisse zusammen mit anderen gemessenen Parametern Aufschluß über die Funktion und Arbeitsweise emittierender Radargeräte geben.

In der Praxis kann der IFM-Empfänger mehrere aus unterschiedlichen Quellen stammende HF-Signale gleichzeitig empfangen. Es sind dann mehrere Signale mit unterschiedlichen Pulslängen, Pulswiederholzeiten und Frequenzen überlagert, die bei einfachen IFM-Empfängern ohne schaltungstechnische Maßnahmen zu fehlerhaften Frequenzmessungen führen. Bei einem in der Patentschrift US-4.547.727 beschriebenen Empfänger wird der simultane Empfang mehrerer Signale detektiert und bei möglicher Mehrdeutigkeit der Frequenzanzeige die Messung wiederholt. Für eine fortgesetzte korrekte Frequenzmessung muß ein Empfänger jedoch in der Lage sein, einzelne Signale von den übrigen getrennt auszuwerten.

In der Schrift GB 218 9034A ist ein solcher Empfänger zur Messung der Frequenz simultan einfallender Signale beschrieben. Dort werden in einer vorgeschalteten Sortierschaltung simultan einfallende Signale zunächst in Bezug auf Zeit und Frequenz getrennt und anschließend deren Frequenzen mit einem bekannten IFM-Empfänger bestimmt. Dabei wird das Signal mittels eines Schalters auf mehrere Filter oder Verzögerungsglieder verteilt. Die einzelnen analog vorliegenden Ausgangssignale werden danach zeitmultiplex weitergeleitet.

Es besteht die Aufgabe den Empfänger so auszubilden, daß dieser mit einer einfacheren Signalauswertungsschaltung mehrere gleichzeitig empfangene Signale verarbeiten und jeweils einzeln die Frequenzen simultan empfangener Signale messen kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. In dem Empfänger nach der Erfindung werden mit bekannten Mitteln aus den empfangenen Signalen I- und Q-Signalanteile gebildet, die jeweils linear vom Eingangssignal abhängen. Bei dem neuen Empfänger wird die Tatsache ausgenutzt, daß linear abhängige I- und Q-Signale bei zwei oder mehreren gleichzeitig empfangenen Signalen jeweils aus einer Summe linear überlagerter Spannungen zusammengesetzt sind. Die I- und Q-Signalanteile sowie die Leistung ändern sich zeitlich in Abhängigkeit davon, ob Einzelsignale beginnen oder enden. Die Änderung der I- und Q-Signalanteile wird in Verbindung mit der Änderung der Empfangsleistung in kurzen Zeitabständen gemessen. Anhand der Differenzen ΔI, ΔQ, ΔP die für ein aktuelles, zwischen zwei Abtastzeitpunkten liegendes Zeitintervall bestimmt werden, wird auf einfache Weise die Frequenz eines einzelnen pulsförmigen Signals, dessen Beginn oder Ende in diesem Zeitintervall liegt, berechnet.

Die Patentansprüche 2-6 geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.

Gemäß Patentanspruch 2 durchlaufen die I- und Q-Signalanteile vor der weiteren Verarbeitung zunächst jeweils einen Tiefpaß. Dadurch wird verhindert, daß Mischprodukte mit einer Frequenz größer als die halbe Abtastfrequenz für die I- und Q-Signalanteile in die nachfolgende Auswerteschaltung gelangen und dort Fehler in der Frequenzmessung verursachen.

Anspruch 3 gibt eine Schaltungsvariante an, in der analog gebildete Spannungswerte der I- und Q-Anteile digital ausgewertet werden. Die Spannungswerte können entweder analog gespeichert und anschließend digitalisiert oder nach A/D-Umwandlung digital abgespeichert werden.

Nach Anspruch 4 läßt sich der Empfänger noch einfacher und kostengünstiger realisieren, wenn ein Prozessor anstelle einzelner diskreter Schaltungsteile insgesamt die Auswertung der I- und Q-Signalanteile übernimmt.

In Patentanspruch 5 ist eine vorteilhafte Möglichkeit zur Bestimmung der Leistung der empfangenen Signale durch Berechnung aus den Spannungswerten der I, Q-Signalanteile angegeben.

Anhand mehrerer Figuren soll nun ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Empfängers ausführlich beschrieben und die Arbeitsweise erklärt werden.

Fig. 1 zeigt einen IFM-Empfänger nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild eines Empfängers zur Messung der Frequenz simultan empfangener Signale,

Fig. 3 verdeutlicht die Arbeitsweise des Empfängers.

Empfangene Signale werden zunächst auf bekannte Art und Weise in einer Schaltung gemäß Fig. 1 verarbeitet und in I- und Q-Anteile umgewandelt.

Das empfangene Signal wird in einem Leistungsteiler 11 aufgeteilt und beide Signalanteile werden einem Phasendiskriminator 13 zugeführt. Dabei wird einer der beiden Signalanteile dem Phasendiskriminator 13 über eine Verzögerungsleitung 12 zugeführt. Diese hat die Länge L und die Signallaufzeit T. Der andere Signalanteil gelangt unverzögert in den Phasendiskriminator. Das verzögerte Signal hat gegenüber dem nicht verzögerten Signal eine für eine bestimmte Frequenz f um den Winkel R nacheilende Phase. Der Phasendiskriminator 13 erzeugt vier Ausgangssignale V₁ bis V₄, die jeweils über Detektordioden 1, 2, 3, 4 weitergeleitet werden. Dem Phasendiskriminator 13 sind zwei Differenzverstärker 14, 14′ nachgeschaltet, denen die Ausgangssignale V₁ bis V₄ jeweils paarweise zugeführt werden. Der eine Differenzverstärker 14 erzeugt daraus ein Inphase-Signal I, der andere 14′ ein phasenverschobenes Quadratur-Signal Q. Die genannten Ausgangssignale I, Q der Differenzverstärker 14, 14′ sind von der Amplitude A des empfangenen Signals, einem konstanten Faktor k und vom Sinus bzw. Cosinus des durch die Verzögerungsleitung 12 hervorgerufenen Phasenwinkels R abhängig und werden beschrieben durch

I = kA cosR
Q = kA sinR
mit R = 2ΠfT.

Fig. 2 zeigt ein mögliches Blockschaltbild eines Empfängers nach der Erfindung. Dieser enthält eine Schaltung 10 zur Bildung analoger I- und Q-Signale entsprechend der oben beschriebenen Fig. 1 und einer Schaltung 20 zur Auswertung der I- und Q-Signale, die bei dieser Lösung im wesentlichen aus digital arbeitenden Schaltungsteilen besteht.

Zwischen dem analog arbeitenden Schaltungsteil 10 und der Auswerteschaltung 20 durchlaufen die erzeugten I, Q-Signalanteile jeweils einen Tiefpaß 21, 21′.

Am Eingang der Auswerteschaltung 20 anstehende Spannungswerte der I, Q-Signalanteile werden zwei A/D-Wandlern 22, 22′ zugeführt. Mit diesen werden die Spannungswerte in gleichbleibenden Zeitabständen Δt taktgesteuert abgetastet und digitalisierte Abtastwerte der I, Q-Signalanteile zu Abtastzeitpunkten t_n einer weiteren Verarbeitung zugeführt. Den A/D-Wandlern 21, 21′ ist jeweils ein zweistufiges Schieberegister 23, 23′ nachgeschaltet, in welchem jeweils I, Q-Signalabtastwerte für den letzten Abtastzeitpunkt t_n und den vorletzten Abtastzeitpunkt t_n-1 gespeichert sind. Beide Stufen der Schieberegister 23, 23′ sind jeweils mit einem Subtrahierer 24, 24′ verbunden. In diesen werden Differenzen ΔI, ΔQ zwischen den beiden gespeicherten Abtastwerten für das aktuelle, zwischen den Abtastzeitpunkten t_n-1 und t_n liegende Zeitintervall Δt_n gebildet und über zusätzliche Verzögerungsstufen 25, 25′ jeweils einem Multiplizierer 30, 30′ zugeführt. Die Verzögerungsstufen 25, 25′ können beispielsweise Schieberegister sein.

Parallel zu den Differenzen ΔI(Δt_n) und ΔQ(Δt_n ) wird eine Leistungsdifferenz ΔP(Δt_n) berechnet. Ein Schaltungsteil zur Bestimmung der Leistung 26 übernimmt aus den beiden Schieberegistern 23, 23′ jeweils die aktuellen, letzten Abtastwerte I(t_n), Q(t_n) und berechnet daraus die Leistung P(t_n) über die Beziehung

P = (1/k²) · (I² + Q²).

In einer Ausführungsform dieses Schaltungsteils 26 könnte die Leistung z. B. über einen Tabellenspeicher ermittelt werden. Als andere Möglichkeit kann beispielsweise auch eine getrennte Messung der Leistung mittels einer separaten Detektordiode vorgesehen werden. Die Werte der Leistung zum letzten und vorletzten Abtastzeitpunkt P(t_n), P(t_n-1) werden in einem Schieberegister 27 gespeichert. In einem Subtrahierer 28 wird die Differenz ΔP, d. h. die Änderung der Leistung innerhalb des aktuellen Zeitintervalls Δt aus den gespeicherten Werten P(t_n), P(t_n-1) ermittelt. Die Differenz ΔP(Δt_n) wird einer Vorzeichenentscheidungsstufe 29 zugeführt und deren Ausgangssignal sign ΔP an die beiden Multiplizierer 30, 30′ weitergeleitet. Dort werden Produkte ΔÎ=ΔI·sign ΔP und Δ=ΔQ·sign ΔP gebildet. Eine synchrone Verarbeitung der zu einem aktuellen Zeitintervall Δt_n gehörenden Differenzen ΔQ, ΔI, ΔP in den Multiplizierern 30, 30′ wird durch die oben genannten Verzögerungsstufen 25, 25′ hergestellt, die die bei der Leistungsbestimmung benötigte Rechenzeit ausgleichen.

Die Ausgänge der Multiplizierer 30, 30′ sind mit einer Rechenschaltung 31 verbunden, die beispielsweise über einen Tabellenspeicher die Frequenz f einzelner pulsförmiger Signale ermittelt, deren Beginn oder Ende im Zeitintervall zwischen t_n-1 und t_n liegt.

Die Frequenz wird bestimmt durch

f = [arctan (AΔ/ΔÎ) + c]/2ΠT

mit einer Konstanten c, deren Größe abhängig vom Vorzeichen der Produkte ΔI·sign ΔP, ΔQ·sign ΔP ist:

Die Frequenzen werden mittels einer in Fig. 2 nicht dargestellten Ausgabeeinrichtung angezeigt. Es können dort durch zusätzliche Auswertung des Vorzeichens sign ΔP Beginn und Ende einzelner Pulse einander zugeordnet werden und in ihrem zeitlichen Verlauf gleichzeitig mit weiteren überlagerten pulsförmigen Signalen grafisch dargestellt werden.

Die Arbeitsweise des Empfängers wird nun am Beispiel zweier überlagert empfangener HF-Pulse genauer beschrieben. Grundlage für das Funktionsprinzip ist, das die Schaltung 10 I- und Q-Signalanteile bildet, die über einen großen Dynamikbereich eine lineare Abhängigkeit von den Eingangssignalen zeigen.

Am Ausgang der beiden Differenzverstärker 14, 14′ erscheint bei gleichzeitig empfangenen Signalen je ein Spannungswert, der sich aus der Summe der beim Empfang einzelner Pulse auftretenden Werte zusammensetzt. Bei zwei gleichzeitig anstehenden HF-Signalen erhält man

I = kA₁ cos R₁ + kA ₂ cos R₂ und
Q = kA₁ sin R₁ + kA ₂ sin R₂
mit A₁² = P₁ und A₂² = P₂.

Bild 3a zeigt den zeitlichen Verlauf eines länger anstehenden HF-Pulses P₁(f₁, t) mit der Frequenz f₁ welchem zeitweise ein zweiter, kürzerer HF-Puls mit der Frequenz f₂ überlagert ist. Dargestellt ist die Leistung P über der Zeit mit den einzelnen, sich in gleichbleibenden Zeitintervallen Δt wiederholenden Abtastzeitpunkten t₀ bis t₁₁.

Zu den Abtastzeitpunkten t₀ bis t₁₁ und darüber hinaus werden jeweils die zugehörigen Abtastwerte der I- und Q-Anteile gemessen und jeweils die Leistung P des empfangenen Signals bestimmt. Fig. 3b zeigt die gemessene Gesamtleistung der beiden registrierten Pulse aus Fig. 3a. Die zu den gleichen Abtastzeitpunkten t₀ bis t₁₁ gemessenen I- und Q-Signalanteile sind als vektorielle Spannungen in Fig. 3d dargestellt. Soweit an dieser Stelle nicht zusätzlich eine weitere Auswertung der Abtast- und Leistungswerte vorgenommen werden würde, würde zu den Zeitpunkten t₃, t₄, t₅, d. h. solange der zweite oder weitere Pulse anstehen, eine falsche Frequenz über die Tangensumkehrfunktion bestimmt werden.

In der Auswerteschaltung 20 werden erfindungsgemäß jeweils die Differenzen ΔI, ΔQ, ΔP aus den gemessenen Abtastwerten für das aktuelle Zeitintervall Δt_n zwischen dem letzten t_n und dem vorletzten t_n-1 Abtast- und Leistungswert gebildet:

ΔI(Δt_n) = I(t_n) - I(t_n-1)
ΔQ(Δt_n) = Q(t_n) - Q(t_n-1)
ΔP(Δt_n) = P(t_n) - P(t_n-1).

Eine beispielhafte Darstellung dazu zeigen die Fig. 3c und 3e.

Fig. 3c zeigt die jeweilige Änderung der Leistung ΔP der den Abtastzeitpunkten t₁ bis t₁₁ vorausgehenden Zeitintervallen Δt₁ bis Δt₁₁ am Ausgang des Subtrahierers 28. Fig. 3e zeigt die gleichzeitig vorliegenden, in den Subtrahierern 24, 24′ bestimmten Differenzen ΔI, ΔQ zu den Abtastzeitpunkten t₀ bis t₁₁ in vektorieller Darstellung.

Anhand der Fig. 3c und 3e läßt sich die weitere Auswertung zur Bestimmung der Frequenzen von Einzelpulsen veranschaulichen. Fig. 3c verdeutlicht, daß zum Beispiel der Anfang des Pulses P₂ (f₂,t) zum Zeitpunkt t₃ durch eine positive Differenz ΔP und das Ende dieses Pulses zum Zeitpunkt t₆ durch eine negative Differenz ΔP gekennzeichnet ist. Fig. 3e zeigt, daß sich die Differenzen ΔI, ΔQ, die zu den Zeitpunkten t₃ und t₆ jeweils gleichzeitig vorliegen, durch ihre entgegengesetzten Vorzeichen unterscheiden. Das entgegengesetzte Vorzeichen der Differenzen ΔI, ΔQ wird, um in beiden Fällen die gleiche Frequenz zu erhalten, durch eine Fallunterscheidung zwischen einem positiven Vorzeichen der Differenz ΔP zu Beginn und einem negativen am Ende eines Pulses im Zeitintervall Δt_n berücksichtigt. Die Fallunterscheidung Δp(Δt_n) < 0 oder ΔP(Δt_n) < 0 erfolgt durch die Multiplikation der Differenzen ΔI, ΔQ mit sign ΔP in den Multiplizierern 30, 30′. In der Rechenschaltung 31 wird anschließend die Frequenz über die Arcustangensfunktion und Auswertung der Vorzeichen der Produkte ΔI·sign ΔP, ΔQ·sign ΔP bestimmt.

Entsprechend der oben am Beispiel zweier überlagerter Pulse beschriebenen Arbeitsweise, lassen sich auch die Frequenzen von mehr als zwei sich ganz oder teilweise überlappenden Pulsen einzeln ermitteln, sofern sich Beginn und Ende jeweils zweier empfangener Pulse um mindestens ein Zeitintervall Δt unterscheiden.

Claims

1. Empfänger zur Messung der Frequenz von einem oder mehreren simultan empfangenen pulsförmigen Signalen, welcher die empfangenen Signale linear in I- und Q-Anteile umwandelt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteschaltung (20) vorgesehen ist, die folgende Bestandteile umfaßt:

- einen Schaltungsteil (22, 22′) zur taktgesteuerten Abtastung der I- und Q-Signalanteile in gleichbleibenden Zeitabständen,
- einen Schaltungsanteil (26) zur Bestimmung der Leistung der empfangenen Signale zu den Abtastzeitpunkten,
- Speichereinrichtungen (23, 23′; 27) zum Speichern der zum letzten und zum vorletzten Abtastzeitpunkt gewonnenen Abtastwerte der I- und Q-Signalanteile und der Leistung,
- Subtrahierer (24, 24′, 28), die für jedes Zeitintervall Differenzen (ΔI, ΔQ, ΔP) zwischen den zum letzten und zum vorletzten Abtastzeitpunkt gewonnenen Abtastwerten der I- und Q-Signalanteile und der Leistung ermitteln,
- eine Vorzeichenentscheidungsstufe (29), die das Vorzeichen der Leistungsdifferenz (ΔP) bestimmt,
- Multiplizierer (30, 30′), die die Differenzen (ΔI, ΔQ) der Signalanteile mit dem Vorzeichen der Leistungsdifferenz verknüpfen und die Produkte (ΔÎ, Δ) weiterleiten,
- eine Rechenschaltung (31) zur Bestimmung der Frequenzen (f) einzelner Signale aus dem Arcustangens des Quotienten (Δ/ΔÎ) dieser Produkte und einer vom Vorzeichen der Produkte abhängigen, zu addierenden Konstanten.

2. Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die I- und Q-Signalanteile vor der Auswertung jeweils einen Tiefpaß (21, 21′) durchlaufen.

3. Empfänger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (20) eingangsseitig zur digitalen Verarbeitung analoger I- und Q-Signalanteile jeweils einen A/D-Wandler (22, 22′) mit nachgeschaltetem Register (23, 23′) oder jeweils ein Abtast/Halteglied mit nachgeschaltetem A/D-Wandler enthält.

4. Empfänger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (20) von einem Prozessor gebildet wird.

5. Empfänger nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Leistung empfangener Signale durch Bildung der Summe der Amplitudenquadrate der I- und Q-Signalanteile erfolgt.