ФОРМИРОВАНИЕ
ЛЧМ СИГНАЛОВ
В
последние годы начали интенсивно развиваться
теория и техника формирования сложных
сигналов, в частности частотно-модулированных
сигналов, которые играют решающую
роль в системах радиолокации и гидролокации,
радиосвязи, радионавигации и др.
Исторически первыми стали применяться
занимающие сейчас особое место
радиосигналы с линейной частотной
модуляцией (ЛЧМ), позволяющие обеспечить
большие (до нескольких гигагерц)
полосы частот и широкий интервал
длительностей. Вопросам формирования
и исследования ЛЧМ сигналов
посвящены работы Кука, Кэпьюти,
Кибблера, а также советских специалистов
Л. Е. Варакина, А. С. Зиницкого, И. С. Гоноровского,
М. Е. Лейбмана, Я. Д. Ширмана и др.
Однако в этих работах не
нашли отражения многие современные
технические средства формирования
ЧМ сигналов. Для формирования
ЛЧМ сигналов вследствие значительного
разнообразия требований к параметрам
и точности их реализации используются
различные устройства- от пассивных
с дисперсионными линиями задержки
и управляемых автогенераторов
до прецизионных синтезаторов
с несколькими системами автоподстройки.
Поэтому необходимо обобщить
опыт теоретического и экспериментального
исследования таких устройств
и помочь разработчикам в выборе
требований к сложным сигналам,
понять особенности формирования
и обработки составных, ступенчатых
и нелинейных ЧМ сигналов, правильно
ориентироваться в методах уменьшения
искажений, возникающих при усилении
сигналов и излучении с помощью
крупноампературных фазированных решеток.
Сайт является первой попыткой
систематического изложения широкого
круга вопросов генерирования
и синтеза сложных ЧМ сигналов
на примере широко распространенного
ЛЧМ сигнала. Основное внимание
уделено импульсным ЧМ сигналам,
произведение полосы частот на
длительность импульса (база) которых
меняется от единиц до десятков
тысяч. Излагаются общие понятия,
анализируются требования к устройствам
формирования, вытекающие из различных
применений.
Показано, что относительное частотное
отклонение обратно пропорционально
базе сигнала и для реализации
требуемой точности формирования
ЛЧМ сигнала при малых базах
можно использовать несложные
устройства, при больших базах
- более сложные, включающие системы
автоматической подстройки или
специальные синтезаторы.
Для
улучшения качества выходных сигналов
необходимо учитывать влияние пульсаций
спектра на уровень и форму
боковых лепестков функции неопределенности
при средних и малых базах
сигнала и особенности формирования
сигналов с нелинейной ЧМ, а также
использовать методы предыскажений ЛЧМ
сигналов для улучшения качества сжатия.
Частотно-модулированные сигналы:
Виды частотно-модулированных сигналов.
К сложным сигналам относят
радиосигналы, параметры которых
изменяются в течение импульса
или периода повторения по
определенному, детерминированному
закону, так что база сигнала
- произведение девиации частоты
W на длительность Т - D = TW.
Выбор конкретного сигнала определяется
его назначением. Частотно-модулированные
(ЧМ) сигналы широко применяются
во многих областях техники:
радиолокации, радионавигации, системах
связи (в том числе космических),
радиоизмерениях и т. д. Использование
сложных сигналов в радиолокации
обеспечивает высокую разрешающую
способность и по дальности,
и по скорости, позволяет существенно
повысить информативность радиосистем.
Чаще всего используются ЛЧМ
сигналы, которые имеют определенные
преимущества перед другими сложными
сигналами: возможность достижения
больших девиаций частоты (1 ГГц
и более) и значительной скорости
перестройки; сравнительная простота
изменения формы огибающей ЧМ
сигнала и скорости частотной
модуляции для улучшения параметров
сжатого сигнала, простота оценки,
измерения и коррекции искажений.
Они используются в качестве
базовых при формировании непрерывных
ЧМ сигналов треугольной, пилообразной
или зигзагообразной формы либо
сигналов с V, Af-образной ЧМ, импульсных
последовательностей, а также
сигналов, разнесенных по спектру.
Эти сигналы при надлежащем
выборе их параметров обеспечивают
высокую разрешающую способность
одновременно по дальности и
скорости, сохраняя при этом все
достоинства ЛЧМ сигналов.
Благодаря
отмеченным преимуществам, а также
тому, что методы и устройства обработки
ЛЧМ сигналов и сигналов, построенных
на их основе, хорошо разработаны, эти
сигналы привлекают внимание специалистов
многих отраслей техники. Кроме сигналов
с линейным (или кусочно-линейным)
законом ЧМ используют сигналы с
нелинейным законом ЧМ. Это позволяет
уменьшить отношение сигнал-шум
или повысить разрешающую способность
и по дальности, и по скорости.
Сигналы с дискретной ЧМ применяются
в системах связи, радиолокации
и часто используются как сигналы,
аппроксимирующие требуемый (линейный
или нелинейный) закон изменения
частоты. Соответствие сигнала
поставленным требованиям оценивается
по функции неопределенности, наиболее
полно отражающей его потенциальные возможности
и информативность.
База сигнала выступает как
ограничительная характеристика
практической реализации того
или иного сигнала с заданной
точностью на основе рассматриваемого
принципа формирования и обработки
ЧМ сигналов. Чем больше база
сигнала, тем выше потенциальные
возможности, информативность сигнала,
но тем труднее реализовать
его с необходимой точностью.
В частности, в радиолокации
увеличение девиации частоты
сигнала приводит к повышению
разрешающей способности по дальности,
а использование сигнала большей
длительности,- к повышению разрешающей
способности по скорости. К спектру
сигнала чаще всего обращаются
при практической реализации
конкретных устройств.
Функции
неопределенности и спектры ЧМ сигналов:
Для определения требований к
точности изменения частоты в
устройствах формирования ЧМ сигналов
необходимо оценить влияние отклонений
от закона ЧМ на основные характеристики
ЧМ сигналов, такие как функции
неопределенности сигнала и его
спектр.
Кроме ЛЧМ сигнала с прямоугольной
огибающей, применяются ЛЧМ сигналы
с колоколообразной и косинусоидальной
огибающей. Колоколообразный ЛЧМ сигнал
удовлетворяет условию минимизации боковых
лепестков после сжатия, но на практике
реализовать его достаточно трудно, особенно
при использовании усилителей мощности,
работающих в режиме насыщения.
В этом случае можно сформировать
сигнал с косинусоидальной огибающей,
близкий по своим параметрам к ЛЧМ сигналу
с колоколообразной огибающей. Тело неопределенности
ЛЧМ сигнала с синусоидальной огибающей
имеет форму скругленного главного гребня
с сопутствующими боковыми параллельно
расположенными гребнями, высота которых
незначительна и убывает достаточно быстро
при удалении от главного. Форма корреляционной
функции косинусоидального ЛЧМ импульса,
так же как и прямоугольного, зависит от
его базы, что проявляется в числе боковых
лепестков и их форме.
Для прямоугольного ЛЧМ импульса
уровень первого бокового лепестка
ниже на 13 дБ, а последующие убывают
обратно пропорционально расстоянию
до главного. Для косинусоидального
импульса уровень первого бокового лепестка
не более -30 дБ, а последующие убывают обратно
пропорционально кубу расстояния до главного.
Спектр ЛЧМ импульса с косинусоидальной
огибающей описывается выражением, содержащим
векторную сумму интегралов Френеля.
За
счет компенсации квазигармонических
пульсаций обеспечивается гладкая,
форма амплитудного и фазового спектров,
упрощается синтез характеристик согласованного
фильтра сжатия. Сигналы с косинусоидальной
огибающей могут найти применение в тех
случаях, когда ожидаются большие доплеровские
расстройки частоты. Амплитудный спектр
такого сигнала является действительной
функцией частоты и имеет осциллирующий
характер.
Функция неопределенности этого
сигнала, состоящего из двух
разнесенных во времени ЛЧМ
составляющих, имеет высокий уровень
боковых лепестков, равный 0,5, в
виде пьедестала, который определяется
взаимной корреляционной функцией
двух составляющих сигнала. Для
уменьшения высоты пьедестала
можно использовать сигналы с
зубчатой ЧМ, ЛЧМ составляющие
которых разнесены по спектру.
Подобные сигналы реализуются
в многоканальных устройствах
формирования с фазированной
антенной решеткой (ФАР). В этих
случаях ЛЧМ сигналы, разнесенные
по спектру, могут быть совмещены
во времени. Такой сигнал представляет
собой импульс с постоянной
несущей частотой и осциллирующей
огибающей. При малых доплеровских
расстройках частоты пьедестал боковых
лепестков в сжатом сигнале практически
отсутствует.
В
настоящее время значительный интерес
проявляется к ЛЧМ сигналам с
внутриимпульсной фазовой манипуляцией
(ЛЧМ ФМ). Использование таких
сигналов позволяет расширить возможности
и увеличить точность современных
радиотехнических систем, обеспечивает
лучшее одновременное разрешение по
дальности и скорости, чем обычный
ЛЧМ сигнал, и в то же время
в отдельных случаях позволяет
использовать весовую обработку
для снижения уровня боковых лепестков
отклика.
Спектр ЛЧМ ФМ сигнала представляет
собой смещенные по частоте
спектры ЛЧМ импульсов, суммирование
которых определяется соотношениями
их фаз в зависимости от
длины кодовой последовательности.
По мере увеличения длины последовательности
амплитудный спектр все более
приобретает черты спектра шумоподобного
сигнала, а полоса частот, занимаемая ЛЧМ
ФМ сигналом, расширяется.
Основные положения теории сложных
ЧМ сигналов, и в частности
теория согласованной фильтрации
ЛЧМ сигнала, широко освещены
в литературе. На практике для
согласования параметров фильтра
сжатия и сигнала формулируют
требования к аппаратурным искажениям
устройств формирования или обработки
сигнала. Решению этой задачи
посвящено значительное число
работ (например).
Модуляторы
Модуляторы:
При использовании активного
метода формирования ЛЧМ сигналов нужны
генераторы модулирующих сигналов: линейно
изменяющегося напряжения или тока,
напряжения параболической формы или
более сложных функций времени.
Требования к точности заданной функции
времени определяются требованиями
к параметрам ЛЧМ сигнала.
Обычно для изменения параметров
ЛЧМ сигнала или для их автоматической
коррекции необходимо управление
выходным сигналом модулятора. Рассмотрим
методы построения модуляторов
при формировании ЛЧМ сигналов.
Используют аналоговые и цифровые
генераторы пилообразного напряжения
(ГПН).
Известно большое число аналоговых
ГПН, отличающихся схемами стабилизации
тока заряда, переключения по
окончании модуляции, коррекции
нелинейности выходного напряжения
или стабилизации амплитуды выходного
сигнала пилообразной или треугольной
формы. Высокую линейность напряжения
и хорошую нагрузочную способность
обеспечивает схема с интегратором
на операционном усилителе с
конденсатором в цепи обратной
связи.
Коэффициент нелинейности сигнала
такой схемы падает с ростом
коэффициента усиления операционного
усилителя и может достигать
1 ... 0,1%. Цифровые ГПН позволяют
формировать ступенчатое напряжение,
близкое к линейно изменяющемуся.
Например, эталонная последовательность
импульсов с ЭГ поступает на
счетчик, сигналы с разрядов
которого поступают на преобразователь
код - сопротивление (ПКС) на
входе операционного усилителя.
В таких схемах стабильность
высоты ступеньки ступенчатого
напряжения лучше 0,1% при длительности
одной ступеньки не менее 1
... 2 мкс. Число ступенек определяется
точностью аппроксимации линейного
закона и обратно пропорционально
допустимой погрешности изменения
выходного напряжения ГПН. В
связи с этим ограничена снизу
длительность модуляции.