AO-измеритель параллельного типа

Оптическая часть данного устройства аналогична типовой, приведенной на рис. 1.1. ФПУ представляет собой N-элементную линейку 1, либо матрицу (с объединенными строками) фотодиодов с отдельными выходами (рис. 1.2).

Получается дискретный по частоте фотоприёмник с параллельным считыванием. К выходу каждого фотодиода подсоединяют видеоусилитель 2 и пороговое устройство (ПУ) или аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3. Выходы устройств 3 подключают к формирователю кодов частоты и уровня 4.

Рис. 1.2.

Если видеоусилители нагружены на пороговые устройства, то уровень порога выбирают таким, чтобы он превышался основным лепестком РИСС (1.1). Сигналы на выходах пороговых устройств принимают значения логических «1» или «О», в зависимости от того, превышен или нет пороговый уровень усиленным сигналом.

Простейший алгоритм определения мгновенной частоты сводится к выделению группы сработавших пороговых устройств и соответствующих им фотодиодов. Значение мгновенной частоты отождествляют с пространственным положением оси симметрии группы фотодиодов, соответствующих сработавшим пороговым устройствам. Результат измерения представляют в виде кода мгновенной частоты.

N сигналов уровней логических «О» и «1» с выходов пороговых устройств поступают в формирователь кода оси симметрии РИСС, где они трактуются как N-разрядный двоичный код, состоящий из «0» и «1». В этом коде среди лог. «0» будет присутствовать группа лог. «1» .

(не содержащая «0» внутри группы), положение которых в коде соответствует номерам пороговых устройств, на которых имело место превышение сигналом порогового уровня.

Код оси симметрии, соответствующий мгновенной частоте сигнала длительностью Т₀, вычисляется по формуле.

где ml и m2 — порядковые номера младшей и старшей «1» в группе.

Код Kf используется для вычисления частоты fв радиосигнала в соответствии с выражением.

где Fn — нижняя граница диапазона анализируемых частот; Af — шаг сетки частот (дискретность измерения частоты); Kn — код частоты, соответствующий радиосигналу с частотой F_N.

Можно показать, что максимально возможное количество кодов Qmax мгновенной частоты (кодов оси симметрии), формально вычисляемых по формуле (1.5) для N-элементного фотоприёмника, равно Qmax=(2N-1). На практике количество таких кодов Q всегда меньше QmaxОно определяется уровнем сигнала (который может изменяться в пределах динамического диапазона АОИПС), уровнем выбранного порога и количеством L пороговых устройств, срабатывающих в пределах основного лепестка РИСС (считается, что РИСС попадает на фотоприёмник полностью).

Теоретически минимально возможное количество срабатывающих пороговых устройств L_Min может варьироваться в пределах 1 < L_Min< 2 (при работе с сигналами на уровне чувствительности АОИПС). Этой ситуации соответствует максимально возможное количество кодов Q = QmaxНо поскольку выбор L_Min = 1 нежелателен из соображений помехоустойчивости, то приемлемым становится соотношение 2 < L_Min< 3.

Если основной лепесток РИСС попадает на фотоприёмник не полностью, то количество сработавших пороговых устройств будет меньше L. Такая ситуация может, например, иметь место, если частота анализируемого радиосигнала соответствует частоте пространственного расположения (частоте настройки) крайнего (слева или справа) фотодиода фотоприёмника. В этом случае, половина основного лепестка РИСС будет освещать L/2 фотодиодов фотоприёмника, а другая половина лепестка освещать фотоприёмник не будет, поскольку будет находиться ниже нижней (или выше верхней) частотной границы фотоприёмника. Вследствие этого количество сработавших пороговых устройств будет равно не L, a L/2.

Остановимся на специфике выбора кода K_N, входящего в (1.6). Этот код, очевидно, должен соответствовать положению оси симметрии РИСС на фотоприёмнике для радиосигнала с частотой F_N. Если на частоту F_n настроить крайний фотодиод, т. е. фотодиод с порядковым номером ml=0, то через него будет проходить ось симметрии РИСС и, следовательно, код К_х должен быть равен ml, г. е. равен «0». Но, как было показано в предыдущем абзаце, для описанной ситуации количество сработавших пороговых устройств будет равно L/2. И в соответствии с этим, порядковые номера ml и m2, входящие в (1.5) получатся равными: ml=0; m2=L/2-l, а код K, = L/2-l. При подстановке этого кода Kf в (1.6) получим вычисленную частоту радиосигнала не Fn, а Fn+ Af (L/2-l); таким образом, погрешность вычисления частоты составит Af (L/2—1).

Очевидно, что эта погрешность будет меняться в динамическом диапазоне, поскольку величина L/2, входящая в формулу погрешности, зависит от уровня сигнала.

Чтобы избавиться от указанной погрешности, на частоту Fn следует настроить фотодиод с порядковым номером m_N= (L_Max/2— 1), где Lmax ~ количество срабатывающих пороговых устройств при работе с максимальным сигналом, т. е. сигналом, соответствующим верхней границе динамического диапазона (если L_MAX нечётное, то его следует увеличить на «1»). Можно показать, что при такой настройке код K_N получится равным К_х = 2m_N= L_MAX— 2.

Аналогичную настройку (руководствуясь приведенной мотивацией) следует выполнить и в верхней части частотного диапазона, для верхней граничной частоты F_v. На частоту F_v следует настроить фотодиод с порядковым номером m_v= N-L_MAX/2−2.

В результате таких настроек (L_MAX-2) фотодиодов будут вынесены за полосу анализа. (L_MAX/2-l) фотодиодов окажется ниже частоты Fn и столько же фотодиодов окажется выше частоты Fv. В результате частоты фотодиодов, размещённых вне полосы анализа, не будут входить в сетку частот АОИПС, но будут участвовать в формировании кода оси симметрии на краях частотного диапазона.

Поскольку (Lmax-2) фотодиодов N-элементного фотоприёмника будут размещены вне полосы анализа, a (N-Lmax-2) фотодиодов — в полосе, то частотный интервал между фотодиодами (дискретность их размещения) Afj) будет равен.

где AF — полоса частот, анализируемых АОИПС.

При этом шаг сетки частот (дискретность измерения частоты) Af окажется равным.

Погрешность измерения частоты, связанную с дискретностью Af, называют погрешностью квантования. Её среднеквадратичное значение Of для равномерного распределения измеряемых частот в полосе AF составляет Of~ 0,289Af.

Поскольку дискретность Af и погрешность квантования, при фиксированном отношении сигнал/шум (ОСШ), определяется числом фотодиодов (числом частотных каналов), то, наращивая число фотодиодов и соответствующих им частотных каналов, массогабаритные характеристики и энергопотребление, можно уменьшить этот вид погрешности.

Однако следует подчеркнуть, что если погрешности измерения частоты, связанные с неидентичностью каналов, неравномерностью АЧХ, неидеальностью измерителя, наличием шумов и мешающих сигналов, окажутся существенно больше погрешности квантования, то дальнейшее увеличение числа фотодиодов и частотных каналов становится бессмысленным и ведет к неоправданному усложнению и схемных, и конструкторско-технологических решений. Кроме того, настройка и регулировка измерителя в этом случае не приведёт к желаемому результату — уменьшению погрешности измерения частоты. Таким образом, в выборе количества фотодиодов должен соблюдаться разумный оптимум.

Алгоритм измерения уровня сигнала в АОИПС (и параллельного, и последовательного типа) сводится к нахождению и измерению максимума РИСС (1.1). Этот максимум отождествляется с искомым уровнем сигнала. Поскольку на линейке фотодиодов (дискретном по частоте фотоприёмнике) РИСС представлено дискретными (по частоте) отсчётами, то измерение уровня сигнала сводится к нахождению фотодиода с максимальным сигналом и измерению его уровня. Погрешность такого измерения (она всегда положительна) связана с тем, что частота сигнала может не совпадать с частотой настройки фотодиода и, следовательно, ось симметрии РИСС, на которой расположен максимум сигнала, может не проходить через центр фотодиода. Из-за этого несовпадения уровень сигнала на фотодиоде будет не больше искомого уровня сигнала.