Особенности формирования и применения ЛЧМ-сигналов

     Взаимные  функции неопределенности: 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).

       Одни из них затрагивают вопросы  коррекции искажений ЧМ сигнала  в устройствах формирования, другие  отражают результаты исследований  по снижению искажений в устройствах  обработки, и в частности в  фильтрах сжатия.

       Для уменьшения уровня боковых  лепестков сжатого сигнала используют  весовую обработку ЛЧМ сигнала.  Чтобы по уровню боковых лепестков  определить требования к параметрам  сигнала и фильтра сжатия, в  частности к точности формирования  ЧМ сигналов, необходимо исследовать  свойства взаимной, функции неопределенности  и ее структуру.

     В форме тела взаимной неопределенности наблюдается лепестковая структура. Вдоль оси частот боковые лепестки убывают обратно пропорционально  расстройке частоты. Вдоль оси времени, как показывают исследования, уровень боковых лепестков оказывается наименьшим (42,8 дБ). Исходя из этого предъявляют требования к точности параболического закона изменения фазы ЛЧМ сигналов в 1 ... 3°.

       При средних и малых базах  сигнала становится заметным  влияние пульсаций спектра на  уровень и форму боковых лепестков  взаимной функции неопределенности. В этих случаях трудно достигнуть уровня боковых лепестков ниже -(30 ... 35) дБ. Для оценки боковых лепестков в этом случае необходимо учитывать отличие амплитудного спектра от прямоугольного, фазового от параболического, а кроме того, несогласованность амплитудно- и фазочастотных характеристик сигнала и устройства сжатия.

       Иногда несогласованность сигнала  с устройством сжатия проявляется  в дополнительной весовой обработке  амплитудного спектра сигнала.  В большинстве случаев устройства  сжатия имеют ограниченные по  полосе амплитудно-частотную характеристику  в виде весовой функции и  фазочастотную характеристику. Несогласованность этих характеристик с реальным спектром приводит к более сложному выражению для взаимной функции неопределенности. 

     Другие  применения ЛЧМ сигналов

     Другие  применения ЛЧМ сигналов: Частотно-модулированные сигналы нашли применение в различных  областях радиотехники, так как они  обеспечивают высокую помехоустойчивость, точность измерения параметров облучаемых объектов, возможность работы ниже уровня шумов и др.

       Приведенный здесь обзор не  охватывает всех возможных областей  использования этих сигналов. В  качестве примера можно назвать  гидролокаторы, системы электрического  сканирования диаграммы направленности  антенн в РЛС, ультразвуковые  локаторы, применяемые слепыми и  при исследовании работы сердца, спиновые к дисперсионно-временные  анализаторы спектра, рефлектометры  и т. п. 

       Большое внимание уделяется устройствам,  в которых, с помощью ЛЧМ  сигналов осуществляются различные  частотно-временные преобразования  входного сигнала. Использование  этих устройств, например, для  растяжения временного масштаба  в ряде случаев позволяет снизить  стоимость приемной аппаратуры  и применить менее быстродействующие  аналого-цифровые преобразователи  (АЦП).

       Устройства формирования ЛЧМ  сигналов существенно различаются  диапазоном частот от звукового  до оптического, девиацией частоты  от единиц герц до единиц  гигагерц и скоростью изменения  частоты, достигающей в отдельных  случаях 1 ГГц/мкс и более. Кроме  того, широко применяются не только  ЛЧМ импульсы " непрерывные ЧМ  сигналы с треугольным или  пилообразным законами изменения  частоты, но и более сложные  сигналы, например: ЛЧМ импульсы  с дополнительной модуляцией  амплитуды и фазы; составные сигналы, 

       Состоящие из ЛЧМ сигналов, у  которых начальные фаза и частота,  а также скорость модуляции  и длительность каждого участка  в общем случае неодинаковы;  последовательности ЛЧМ импульсов  с постоянными или меняющимися  во времени параметрами модуляции;  непрерывные ЧМ сигналы с дополнительной  частотной или фазовой манипуляцией.

       В ряде случаев очень жесткими  оказываются требования к точности  поддержания заданного закона  модуляции, причем они зависят  от большого числа факторов: технических  требований, предъявляемых к устройству, использующему ЛЧМ сигналы; способа  обработки (фильтровая, корреляционная  или корреляционно-фильтровая);

     Характеристик ЛЧМ сигнала и т, д. Например, при  корреляционной обработке требования к допустимым отклонениям от заданного  закона ЧМ существенно зависят от того, как формируются смешиваемые  ЛЧМ сигналы: одним генератором  или разными. В первом случае требования к точности поддержания заданного  закона модуляции могут быть ослаблены, если принятый и опорный сигналы  начинаются примерно в одни и тот  же момент времени.

       Такой режим работы характерен  для РЛС с высокой разрешающей  способностью, облучающих объекты,  дальность до которых априори  известна, и для систем, применяемых  при локации объектов на малых  дальностях. В некоторых применениях,  характеризуемых большими полосами  частот и базами сигналов, ЛЧМ  сигналы имеют ряд преимуществ  перед ФМ сигналами. 

       Назовем три из них: для ЛЧМ  сигналов относительно просто  осуществляется коррекция искажений,  вносимых элементами тракта и  средой распространения радиоволн,  при корреляционной или корреляционно-фильтровой  обработке широкополосные ЛЧМ  сигналы трансформируются в узкополосные, которые можно преобразовать  в цифровую форму с помощью  не слишком быстродействующих  АЦП и исследовать, например, в  БПФ процессоре,

       Чтобы выделить интересующую  нас информацию, в лучшем состоянии  на сегодняшний день находятся  технические средства формирования  и обработки ЛЧМ сигналов на  ПАВ (например, разработаны дисперсионные  ЛЗ, у которых полоса и произведение  полосы на задержку на порядок  больше, чем у фильтров сжатия  ФМ сигналов), созданы генераторы  СВЧ на транзисторах, на ЛОВ,  на матронах, на генераторах Ганна,  позволяющие перекрывать полосы  в несколько гигагерц со скоростью  перестройки 20-50 ГГц/мкс.

     Из  всего сказанного вытекает настоятельная  необходимость ознакомления разработчиков  радиоэлектронной аппаратуры с существующими  в настоящее время возможностями  для формирования ЧМ сигналов и средствами, обеспечивающими поддержание заданного закона изменения частоты. Требования к точности формирования ЛЧМ сигналов.

       Критерии оценки качества формирования: Для того чтобы обоснованно  выбрать схему устройства формирования  ЛЧМ сигналов, необходимо грамотно  сформулировать требования к  точности поддержания заданного  закона ЧМ. Однако, прежде чем  обсуждать эти требования, рассмотрим  возможные критерии оценки точности  формирования ЛЧМ сигнала. 

       Основная задача выработки требований  к тем или иным характеристикам  ЛЧМ сигнала сводится к выявлению  связи между способностью радиосистемы  решать поставленные задачи и  этими характеристиками. Рассмотрим  подробнее системы с различными  способами обработки широкополосного  сигнала (фильтровым, корреляционным  или их комбинацией), предполагая,  что сигнал сформирован с погрешностями,  а система обработки идеальна. Требования к точности формирования  при фильтровой обработке.

       Часто на практике можно учесть  смещение сжатого импульса и  исключить погрешности радиолокационных  измерений. Уменьшение отношения  сигнал-шум в некоторых случаях  можно скомпенсировать увеличением  полосы пропускания фильтра сжатия  и последетекторной фильтрацией  спектральных составляющих шума. В этих условиях допуск на  постоянное отклонение частоты  может быть увеличен.

     Если  имеется постоянное отклонение скорости, то при сохранении положения максимума  сжатого импульса во времени его  форма меняется: уменьшается его  уровень, возрастает ширина главного лепестка, увеличивается уровень боковых  лепестков, исчезают нулевые значения, появляется своеобразный пьедестал. Если, например, допустимым является уменьшение уровня главного лепестка не более  чем на 10%, т. е. уменьшение отношения  сигнал-шум на 1 дБ.

       Для распознавания целей с  различной отражающей способностью  важно иметь малый уровень  боковых лепестков сжатого сигнала.  Для их уменьшения за счет  некоторого уменьшения отношения  сигнал-шум и небольшого расширения  главного лепестка применяют  весовую обработку. При этом  требования к точности формирования  ЛЧМ сигнала несколько меняются.

       Требования к точности формирования  при других видах обработки:  В радиолокационных применениях  при большой базе сигнала используют  также корреляционно-фильтровую  обработку, когда ЛЧМ сигнал  частично сжимается по спектру  путем перемножения с гетеродинным  ЛЧМ сигналом, имеющим меньшую  девиацию, а затем сжимается по  времени в дисперсионных фильтрах. В этом случае можно достигнуть  высокой степени сжатия ЛЧМ  сигнала. 

       Однако обычно требования к  точности формирования зондирующего  и гетеродинного ЛЧМ сигналов  такие же, как при фильтровой  обработке в расчете на полную  девиацию. Определенное снижение  требований возможно, если при  формировании зондирующего и  гетеродинного сигналов использован  один и тот же генератор  ЛЧМ сигнала с большим по  сравнению с задержкой интервалом  корреляции.

     Особенность радиовысотомеров и радиорефлектометров состоит в том, что обычно применяется непрерывный ЛЧМ сигнал с периодом повторения циклов модуляции по пилообразному или треугольному закону. Поэтому спектр сигнала на выходе перемножителя является линейчатым с интервалом между дискретными составляющими. 

     Радиовысотомеры

     В радиовысотомерах (РВ), устанавливаемых  на самолетах, вертолетах, искусственных  спутниках Земли и космических  аппаратах, часто применяют импульсные ЛЧМ сигналы и непрерывные  сигналы с частотой, меняющейся по пилообразному и треугольному законам. В первых из них измерение высоты осуществляется по каждому импульсу, а во вторых получают усредненный  результат измерения. Этим и определяется более высокая потенциальная  точность РВ с импульсными ЛЧМ  сигналами.

       В то же время для РВ с  непрерывными ЧМ сигналами требуется  менее мощный передатчик, который  можно выполнить на твердотельных  приборах. Радиовысотомеры с ЧМ  позволяют не только с высокой  точностью измерять средние и  малые расстояния между излучателем  и поверхностью, но и получать  дополнительную информацию о  скорости снижения, характере подстилающей  поверхности и т. д.

       Например, импульсный РВ корабля  "Аполлон-17", работающий на частотах 5; 15 и 150 МГц, предназначался для  определения геологического характера  верхнего слоя лунной поверхности  (до глубины 1300 м) и построения  его профиля. Для этой цели  в РВ в качестве зондирующих  использовались ЛЧМ сигналы с  базой 128 и девиацией, равной 10% от несущей частоты. 

       Спутниковые РВ в настоящее  время применяют при геодезических,  геологических и океанографических  исследованиях, позволяя получать  информацию о геоиде земной  поверхности и ее подводной  структуре, измерять высоту волн  и их распределение по водной  поверхности для определения  условий морской навигации, характера  и направления морских течений,  приливов, цунами и т. п. 

       Например, РВ, установленный на ИСЗ  SEASAT-A [112], работает на частоте  13,5 ГГц, причем девиация частоты  и длительность ЛЧМ сигнала  составляют соответственно 320 МГц и 3,2 мкс. Для формирования ЛЧМ сигнала с такими параметрами в РВ используется дисперсионная на полосу 80 МГц и умножитель частоты на 4. Среднеквадратичёская ошибка измерения высоты волн в таком РВ составляет примерно 10 см при их перепаде от 1 до 20 м.