FR1465576A

FR1465576A - Frequency analysis device

Info

Publication number: FR1465576A
Application number: FR40293A
Authority: FR
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1965-11-30
Filing date: 1965-11-30
Publication date: 1967-01-13

Description

Dispositif d'analyse de fréquence.Frequency analysis device.

La présente invention, due à Roland Carré, a pour objet un dispositif d'analyse d'un spectre de fréquence. The present invention, due to Roland Carré, relates to a device for analyzing a frequency spectrum.

Le problème d'une telle analyse se pose en particulier en détection électromagnétique (radar), par exemple pour la mesure des vitesses des cibles basée sur l'effet Doppler, ou encore pour les récepteurs panoramiques d'analyse. The problem of such an analysis arises in particular in electromagnetic detection (radar), for example for measuring the speeds of targets based on the Doppler effect, or else for panoramic analysis receivers.

Ce problème a été initialement résolu par l'utilisation de banc de filtres. Les systèmes obtenus deviennent d'un encombrement prohibitif dès que l'excursion de fréquence devient importante. A titre indicatif, pour obtenir une précision de 0,1 %, ce qui est nécessaire en détection électro- magnétique, dans la bande de fréquence Doppler de 0 à 10 kHz, il faudrait 1000 filtres ayant une bande passante de 10 cycles par seconde. This problem was initially solved by the use of filter banks. The systems obtained become prohibitively bulky as soon as the frequency excursion becomes significant. As an indication, to obtain an accuracy of 0.1%, which is necessary in electromagnetic detection, in the Doppler frequency band from 0 to 10 kHz, it would take 1000 filters having a pass band of 10 cycles per second.

Des résultats intéressants ont été également obtenus avec le dispositif d'analyse à boucle décrit par M. Baumann dans les Annales de Radioélec- incité, nO 62, octobre 1960 et nO 63, janvier 1961, dispositif qui permet de réaliser une analyse plus complète. Cependant ce dispositif exige des circuits particulièrement stables, difficiles à réaliser et la réponse pour une mesure est constituée par une série d'impulsions. Interesting results have also been obtained with the loop analysis device described by M. Baumann in Annales de Radioélecincité, No. 62, October 1960 and No. 63, January 1961, a device which allows a more complete analysis to be carried out. However, this device requires particularly stable circuits, which are difficult to produce and the response for a measurement is constituted by a series of pulses.

Le dispositif suivant l'invention au contraire ne comporte pas de boucle et fournit une réponse unique comme dans les dispositifs à banc de filtres, tout en étant d'encombrement réduit. De plus, sa courbe de réponse en fréquence peut être facilement modelée. The device according to the invention, on the contrary, does not include a loop and provides a single response as in the devices with a filter bank, while being of reduced bulk. In addition, its frequency response curve can be easily shaped.

Suivant l'invention un dispositif d'analyse de fréquence d'un signal comprend un générateur d'impulsions longues dont la porteuse est modulée en fréquence, un dispositif de synchronisation déclenchant ledit générateur, un modulateur à bande latérale unique assurant la modulation de ladite impulsion longue par ledit signal à analyser, un filtre de compression recevant le signal modulé ainsi obtenu et alimentant un dispositif indicateur synchronisé par ledit dispositif de synchronisation. According to the invention, a device for analyzing the frequency of a signal comprises a generator of long pulses the carrier of which is frequency modulated, a synchronization device triggering said generator, a single sideband modulator ensuring the modulation of said pulse long by said signal to be analyzed, a compression filter receiving the modulated signal thus obtained and supplying an indicator device synchronized by said synchronization device.

Si la fréquence du signal à analyser est unique on recueille une impulsion courte dont le retard par rapport au signal de synchronisation de l'impulsion longue est une mesure de cette fréquence. Si le signal est une combinaison de signaux de fréquences différentes, autant d'impulsions nettement distinctes apparaîtront sur l'oscilloscope. Les amplitudes de cette ou ces impulsions varient linéairement avec l'amplitude des signaux dont la fréquence est mesurée si celle-ci reste petite par rapport à l'amplitude de l'impulsion longue.If the frequency of the signal to be analyzed is unique, a short pulse is collected, the delay with respect to the synchronization signal of the long pulse is a measure of this frequency. If the signal is a combination of signals of different frequencies, as many clearly distinct pulses will appear on the oscilloscope. The amplitudes of this or these pulses vary linearly with the amplitude of the signals whose frequency is measured if the latter remains small compared to the amplitude of the long pulse.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et en se reportant aux dessins annexés où
La figure 1 est le schéma de principe d'un dispositif d'analyse suivant l'invention.The invention will be better understood on reading the following description and with reference to the accompanying drawings where
FIG. 1 is the block diagram of an analysis device according to the invention.

La figure 2 est un exemple de diagramme d'analyse. Figure 2 is an example of an analysis diagram.

Les figures 3a, 3b et 3c sont des diagrammes explicatifs. Figures 3a, 3b and 3c are explanatory diagrams.

La figure 4 est un exemple d'application à la mesure de la vitesse des cibles de radar. FIG. 4 is an example of application to the measurement of the speed of radar targets.

La figure 5 est un exemple de résultat obtenu avec le dispositif de la figure 4. FIG. 5 is an example of the result obtained with the device of FIG. 4.

La figure 6 est un exemple d'application à un récepteur panoramique. FIG. 6 is an example of application to a panoramic receiver.

Le dispositif d'analyse de fréquence représenté figure 1 suivant l'invention comporte un générateur d'impulsions longues 2, dont la porteuse est modulée linéairement en fréquence et qui est synchronisé par un dispositif de synchronisation 3 qui sysnchronise également un indicateur, oscilloscopique par exemple 4, Le signal à analyser est appliqué à la borne d'entrée 1 qui est connectée à l'entrée de modulation d'un modulateur à bande latérale unique 5 dont l'autre entrée, connectée au générateur 2, reçoit l'impulsion longue. The frequency analysis device shown in FIG. 1 according to the invention comprises a long pulse generator 2, the carrier of which is linearly frequency modulated and which is synchronized by a synchronization device 3 which also sysnchronizes an indicator, oscilloscopic for example. 4, The signal to be analyzed is applied to the input terminal 1 which is connected to the modulation input of a single sideband modulator 5 whose other input, connected to the generator 2, receives the long pulse.

Un filtre de compression 6 est connecté à la sortie du modulateur et alimente l'entrée de signal de l'indicateur 4. A compression filter 6 is connected to the output of the modulator and feeds the signal input of indicator 4.

Le signal de synchronisation, fourni par le dispositif 3 sur sa sortie 32 connectée à l'entrée de synchronisation 42 de l'oscilloscope 4 est retardé, par rapport au signal fourni sur sa sortie 31 connectée au générateur 2, du temps de trajet nécessaire à l'impulsion pour arriver à l'entrée de signal 41
de l'oscilloscope.The synchronization signal, supplied by the device 3 on its output 32 connected to the synchronization input 42 of the oscilloscope 4 is delayed, with respect to the signal supplied on its output 31 connected to the generator 2, by the travel time necessary for the pulse to arrive at signal input 41
of the oscilloscope.

A chaque fréquence analysée correspond sur l'indicateur, une impulsion dont la distance à l'impulsion de synchronisation représente la fré
quence.At each analyzed frequency corresponds on the indicator, a pulse whose distance to the synchronization pulse represents the fre
quence.

On a représenté en figure 2 une vue agrandie de l'écran de l'oscilloscope pour une fonction comportant un signal à fréquence ~0, un signal à fréquence fl = f0 +fetunsignalàfréquencef2 f0 t 2f
Les distances tO, tl, t2 entre les impulsions A,
B, C et le signal de synchronisation S sont proportionnelles aux fréquences f0, fl, f2.FIG. 2 shows an enlarged view of the oscilloscope screen for a function comprising a signal at frequency ~ 0, a signal at frequency fl = f0 + fetunsignalàfrequencef2 f0 t 2f
The distances t0, tl, t2 between the pulses A,
B, C and the synchronization signal S are proportional to the frequencies f0, fl, f2.

Si la fréquence ~0 est connue et grande par rapport à f ou si seules les différences fi - ~0, f2 -f0 sont intéressantes, on aura intérêt, pour augmenter la précision de la lecture, à ne pas utiliser le signal
de synchronisation S qui est alors superflu. C'est en particulier le cas des radars Doppler f0 correspond à une cible fixe et est égale à des translations de fréquences fixes bien déterminées, à la fréquence porteuse d'émission et fi -f0, f2 f0... représentent les fréquences Dopplers de dif- férentes cibles mobiles, qui sont fonction des vitesses de ces cibles.If the frequency ~ 0 is known and large compared to f or if only the differences fi - ~ 0, f2 -f0 are interesting, it will be advantageous, to increase the precision of the reading, not to use the signal
synchronization S which is then superfluous. This is in particular the case of Doppler radars f0 corresponds to a fixed target and is equal to well-determined fixed frequency translations, to the emission carrier frequency and fi -f0, f2 f0 ... represent the Doppler frequencies of Different moving targets, which are a function of the speeds of these targets.

La figure 3 montre la loi de modulation de la fréquence potreuse F de l'impulsion longue, F étant porté en ordonnées et le temps t en abscisses. La
figure 3b représente schématiquement cette impul
sion. On voit que dans cet exemple l'enveloppe est pratiquement rectangulaire, de longueur T.FIG. 3 shows the law of modulation of the potrous frequency F of the long pulse, F being plotted on the ordinate and the time t on the abscissa. The
Figure 3b schematically represents this impul
if we. We see that in this example the envelope is practically rectangular, of length T.

La figure 3c représente un exemple de caracté- ristique retard-fréquence du filtre 6; AFR repré
sente le domaine des fréquences F2 - F1 de la
porteuse et TR la variation du retard dans ce
domaine.FIG. 3c represents an example of delay-frequency characteristic of filter 6; AFR repre
feels the frequency domain F2 - F1 of the
carrier and TR the variation of the delay in this
field.

Pour obtenir un dispositif équivalent à un banc
de N filtres de chacun f de largeur de bande, la
durée de l'impulsion longue T devra être égale à
l/Af. En effet l'impulsion comprimée aura une
durée moyenne de T F 1/#F et pour que sur l'oscilloscope les impulsions correspondant à deux fré
quences séparées de Af ne soient pas confondues il faut qu'entre deux impulsions courtes de sortie,
correspondant à un décalage de Af le décalage
At = Af T/AF soit au moins égal à x, ce qui entraîne :
At T c'est-à-dire, à la limite; #t = ##. #~ = T ##~ = #;
soit T D 1/Af
La durée de l'impulsion courte est déterminée par la meilleure utilisation possible du filtre de compression.To obtain a device equivalent to a bench
of N filters of each f bandwidth, the
duration of the long pulse T must be equal to
l / Af. Indeed the compressed pulse will have a
average duration of TF 1 / # F and so that on the oscilloscope the pulses corresponding to two fre
quences separated from Af should not be confused between two short output pulses,
corresponding to an offset of Af the offset
At = Af T / AF is at least equal to x, which results in:
At T that is to say, at the limit; #t = ##. # ~ = T ## ~ = #;
or TD 1 / Af
The duration of the short pulse is determined by the best possible use of the compression filter.

Le nombre de cellules nécessaires pour celui-ci est proportionnel au produit du domaine de retard
TR par le domaine de fréquence AFR. AFR et
TR sont déterminés par les conditions d'utilisation suivantes TR#T+N#t#T+N#;
#FR#F+N.#~;
Le filtre nécessaire est déterminé par le produit
P = (T + W) (AF t N.Af). The number of cells needed for this is proportional to the product of the delay domain
TR by the AFR frequency domain. AFR and
TR are determined by the following conditions of use TR # T + N # t # T + N #;
# FR # F + N. # ~;
The required filter is determined by the product
P = (T + W) (AF t N.Af).

Ce qui donne en remplaçant T par l/Af et s par 1/#F;
P=(1/#~+N/#F) (#F+N#~). Which gives by replacing T by l / Af and s by 1 / # F;
P = (1 / # ~ + N / # F) (# F + N # ~).

La valeur minimum est obtenue quand AF =
NAf avec P = 4N.The minimum value is obtained when AF =
NAf with P = 4N.

Cela signifie que le filtre aurait un taux de compression de 4N s'il était utilisé avec une impulsion longue couvrant les deux domaines. This means that the filter would have a compression ratio of 4N if used with a long pulse covering both domains.

On voit par exemple qu'avec un filtre prévu pour un taux de compression de 200 on peut séparer 50 fréquences différentes. It can be seen, for example, that with a filter designed for a compression ratio of 200, 50 different frequencies can be separated.

D'autre part le filtre est déterminé par son adaptation à l'impulsion longue, on doit avoir en effet
AF/T = - AFR/TR. On the other hand the filter is determined by its adaptation to the long pulse, we must indeed have
AF / T = - AFR / TR.

La caractéristique amplitude-fréquence obtenue est de même forme que l'enveloppe de l'impulsion courte obtenue. The amplitude-frequency characteristic obtained is of the same shape as the envelope of the short pulse obtained.

L'enveloppe de cette impulsion courte est la transformée de Fourier du spectre de l'impulsion longue et ce spectre a très approximativement la forme de l'enveloppe de l'impulsion longue. Ainsi pour une impulsion longue à enveloppe rectangulaire, l'enveloppe de l'impulsion courte est une fonction de la forme sin xZx. L'amplitude mesurée à retard constant par rapport à la synchronisation est de la forme

fO est la fréquence pour laquelle on trouve un maximum, #~ la bande passante du filtre équivalent (#~= 1/T).The envelope of this short pulse is the Fourier transform of the spectrum of the long pulse and this spectrum has very approximately the shape of the envelope of the long pulse. Thus for a long pulse with a rectangular envelope, the envelope of the short pulse is a function of the form sin xZx. The amplitude measured at constant delay with respect to the synchronization is of the form

fO is the frequency for which a maximum is found, # ~ the passband of the equivalent filter (# ~ = 1 / T).

Si l'impulsion longue a une enveloppe modulée en amplitude la caractéristique obtenue est différente. If the long pulse has an amplitude modulated envelope, the characteristic obtained is different.

Par exemple
Une modulation gaussienne donnerait une réponse gaussienne.for example
A Gaussian modulation would give a Gaussian response.

Une modulation en sin xlx donnerait une réponse rectangulaire. Modulation in sin xlx would give a rectangular response.

Ces deux sortes de modulation qui s'étendent jusqu'à l'infini sont impossibles à obtenir mais on peut utiliser des modulations limitées en durée qui donnent des réponses approchantes. These two kinds of modulation which extend to infinity are impossible to obtain but it is possible to use modulations limited in duration which give similar responses.

Claims

The modulations can be obtained easily either by means of a modulator which effects the product of a long pulse with a rectangular envelope by a weighting function, or by simple filtering of this long pulse.

These are conventional methods and the corresponding devices are not shown; they are assumed to be included in pulse generator 2.

FIG. 4 is a diagram of application of the principle of analysis described with reference to FIG. 1 to the measurement of the speed of targets in a pulse Doppler radar receiver. In this figure the figure of the reference units used indicates a device similar to that bearing the same figure in figure 1.

A synchronous detector 7 supplied by the radar receiver 8 and by a reference signal generator R conventionally supplies a signal ((bipolar video.

The output of the detector 7 feeds in parallel n distance channels or adjacent windows selected, in a conventional manner, by successive and adjacent signals, of duration equal to the transmitted pulse, supplied by the synchronization system 10 of the radar. In this example we assume that we are interested in four distance channels. The output of 7 is connected to the inputs of four switches 19, 29, 39 and 49, normally open, and closed successively by the adjacent signals of duration equal to the transmitted pulse and supplied on the outputs 110, 210, 310 and 410 of the device 10.

Each channel comprises a filter 111, 211, 311, 411, the frequency band of which covers the Doppler frequency domain of the targets and thus eliminates the fixed echoes. Each filter feeds the modulation input of a single sideband modulator, respectively 15 to 45.

The long pulse generator 2 successively supplies the second inputs of these modulators via a selector 13 with four output positions 113, 213, 313, 413 respectively connected to the modulators 15, 25, 35 and 45.

This selector is also controlled by the outputs 110, 210, 310 and 410 of the device 10.

The four modulators feed a single compression filter 6, followed by a detector 14.

The information gathered at the exit of 14 can be used, in In, like a classic radar video. For example, it can be flattened to eliminate noise and then normalize the signals obtained in amplitude and process them in a digital correlator.

It is also possible to provide an oscilloscope similar to 4, figure 1.

FIG. 5 shows an example of a function obtained on the screen of such an oscilloscope in the case of four distance channels, respectively D1, D2,

D3 and D4, the time being plotted on the abscissa and the amplitudes on the ordinate; we assume here that we have a target in channel D1 and a target in channel

D2, these targets being detected by the pulses S1 and S2.

The distances of the pulses S1 and S2 at the start of the channels, are v1 and v2, represent the speeds of the corresponding targets, the average distances of the targets at the time of detection being defined by the distance channels. Apart from the distinctly detached compressed pulses, as usual, there is a low level continuous disordered oscillation due to thermal noise.

FIG. 6 is a diagram of application, to a panoramic type frequency analysis radar receiver, of the analysis principle described with reference to FIG. 1.

In this figure, the reception antenna, the intermediate frequency receiver, the local oscillator and the control of this oscillator are represented at AN, Re, Ol and C respectively, which form part of the conventional radar receiver stations.

The intermediate frequency signals supplied by the receiver Re feed the modulator 5 which also receives the long pulse from the generator 2, and feeds the compression filter 6, the output of which is connected to the signal input of an oscilloscope. for example, 4 ', through a detector 61.

The long pulse synchronization device 3 'comprises, in addition to the outputs 31' and 32 'analogous to the outputs 31 and 32 in FIG. 1, coupled to the generator 2 and to the indicator 4, an output 33' connected to the control device (and which controls the variation of the local oscillator in steps of duration equal to that of the long pulse, and triggered at the same time as the latter) and an output 34 'called marking which subdivides, on the screen, the frequency bands successively explored and corresponding to the various stages in question (which are shown schematically in

P next to the local oscillator), slices which are defined by the pulses of the output 32 '.

Of course, the invention is not limited to the embodiments described which have been given only as non-limiting examples of application of the principle of the invention. In particular, this is not limited to electromagnetic detection but on the contrary can be used whenever the analysis of a frequency spectrum is useful.

ABSTRACT

Device for analyzing a remarkable frequency spectrum, in particular in that it essentially comprises a generator of long pulses capable of being compressed and triggered by a synchronization device, a single sideband modulator ensuring the modulation of the pulse - Long section by the signal to be analyzed, a compression filter and an operating device, for example oscilloscopic, sensitive to the delay of the pulses supplied by the filter with respect to the synchronization signal.

Embodiment in which only the difference in the frequencies of the spectrum with respect to one of them being desired, the operating device is not necessarily synchronized by the emission of the long pulse.

Embodiment in which, with a view to measuring the speeds of the targets of a pulse Doppler radar, the radar receiver comprises a long pulse generator, a compression filter, n adjacent distance channels each comprising a band modulator single lateral powered by said generator and feeding said compression filter.