Устройство корреляционно-фильтровой обработки многочастотного линейно-частотно-модулированного фазо-кодо-манипулированного сигнала с одночастотным гетеродинированием

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в радиолокационных системах обнаружения и распознавания. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей прототипа, то есть обеспечение корреляционно-фильтровой обработки многочастотного ЛЧМ сигнала с двоичной фазо-кодовой манипуляцией по коду M-последовательности с одночастотным гетеродинированием. Устройство содержит генератор M-последовательности, выход которого соединен с первым входом фазового модулятора, второй вход которого подключен к выходу ЛЧМ гетеродина, а выход является вторым входом смесителя, первым входом которого является первый вход устройства, а его выход является входами с 1-го по N-ый полосовой фильтр, выходы которых соединены соответственно с входом 1-го, 2-го, , N-го усилителя, выходы которых соединены соответственно с входом 1-го, 2-го, , N-го фазовращателя, выходы которых соединены со входом сумматора, выход которого является выходом устройства.

Предлагаемое устройство относится к области радиотехники и может быть использовано в радиолокационных системах обнаружения, распознавания и селекции.

Известно устройство, позволяющее обеспечить некогерентную обработку многочастотного линейно-частотно-модулированного (МЧ ЛЧМ) сигнала, содержащее 1-й усилитель, полосовой фильтр, преселектор, 2-й усилитель, дисперсионный фильтр, детектор огибающей и интегрирующий элемент, а также блок формирования гетеродинных частотно-модулированных (ЧМ) колебаний [1, стр.401, рис.6.38]. Работа устройства заключается в том, что отраженный от цели МЧ ЛЧМ сигнал, содержащий N парциальных линейно-частотно-модулированных (ЛЧМ) радиоимпульсов, которые в свою очередь через сверхвысокочастотный (СВЧ) усилитель и преселектор поступают на смеситель, на который также подаются гетеродинные частотно-модулированные колебания. Они формируются либо путем однократной либо двукратной фазовой модуляции. В смесителе (ЛЧМ) радиоимпульсы многочастотного (МЧ) сигнала, кроме центрального смещаются на определенную величину относительно частоты дисперсионного фильтра приемника. В результате исключаются интерференционные фединги и для неквазиточеченых целей с увеличением широкополосности МЧ сигнала потери становятся меньше, чем .

Недостатком этого устройства является ограниченные функциональные возможности по обработке сложных сигналов с внутриимпульсной модуляцией, а также наличие потерь обработанного сигнала по сравнению с оптимальной фильтрацией.

Известно также малоканальное (по числу N парциальных ЛЧМ радиоимпульсов) устройство, осуществляющее когерентную обработку квазишумового МЧ ЛЧМ сигнала, содержащее СВЧ усилитель, усилитель промежуточной частоты, два полосовых фильтра, N+1 (по числу парциальных ЛЧМ радиоимпульсов) фазовых модуляторов, N дисперсионных фильтров, N детекторов, N аттенюаторов и многоотводную линию задержки [1, стр.401, рис.6.39].

Работа устройства заключается в следующем. Гетеродинное МЧ напряжение формируется либо путем однократной фазовой модуляции непрерывного СВЧ сигнала частоты f_г=f₀ гармоническим колебанием промежуточной частоты F₀₁=F₀ -F_см, либо путем двукратной фазовой модуляции, но гармоническими колебаниями и с частотами F₀₁ и NF ₀₁ (это зависит от способа формирования зондирующих МЧ ЛЧМ радиоимпульсов, причем F₀ и NF₀ - частоты гармонических модулирующих колебаний, используемых в передатчике), но при F₀₁=F₀ (F_см=0) и подается на N смесителей каналов обработки через линию задержки с отводами. Общая задержка в линии , а отводы следуют через T₃=1/Nf_со. Зависимости частоты от времени МЧ ЛЧМ сигнала f_с(t), отраженного от квазиточечной цели, и гетеродинных МЧ колебаний f_г(t), например на первом и втором отводах линии задержки, изображены в [1, стр.401, рис. а, б, в соответственно]. Для изображенной ситуации на выходе смесителя 2 гармоническая составляющая частотной модуляции МЧ ЛЧМ сигнала демодулируется и на дисперсионный фильтр ДФ2 поступает согласованный с ним ЛЧМ радиоимпульс частоты f_см(t)=f_с(t)-f _г2(t) [1, стр.401, рис.6.40, г]. Тогда на выходе второго канала в момент t₀+_с получается сжатый импульс [1, стр.401, рис.6.40, д] с длительностью и амплитудой, равной максимуму функции неопределенности МЧ ЛЧМ сигнала при =0 [1, стр.26, рис.1.23, г]. На выходах остальных смесителей (1-го, 3-го, 4-го, N-го) указанная демодуляция не происходит, а нелинейная частотная модуляция еще более увеличивается. Поэтому на выходах соответствующих дисперсионных фильтров получаются остаточные сигналы [1, стр 401, график 1 на рис.6.40, д], максимальные выбросы которых в моменты (t₀+_с)±NT_з соответствуют амплитудам боковых лепестков функции неопределенности МЧ ЛЧМ сигнала при =1/if_со, где i=1, 2, , N. Если отраженный МЧ ЛЧМ сигнал смещается на t=1/if_со, то сжатый импульс сдвигается на эту же величину, появляясь на выходе соседнего канала обработки. В свою очередь, следующие сжатые импульсы на выходе каждого канала обработки появляются при смещении отраженного МЧ ЛЧМ сигнала на t=1/f_со. Энергетические потери при такой обработке отсутствуют.

Однако в данном малоканальном устройстве когерентной обработки квазишумового МЧ ЛЧМ сигнала, как и в других известных устройствах когерентной обработки МЧ ЛЧМ сигналов для формирования МЧ гетеродинного сигнала обычно используют самостоятельный фазовый модулятор (ФМ), выполненный на лампе бегущей волны (ЛБВ) или ее твердотельном аналоге. Очевидно, что использование, хотя и одинаковых по структуре, но раздельных ФМ в устройствах обработки и формирования МЧ ЛЧМ сигналов, ввиду разброса параметров ФМ и различий дестабилизирующих факторов приведет к различиям индексов гармонической модуляции зондирующего M₁ и гетеродинного M₂ сигналов. Это ухудшает качество когерентной обработки МЧ ЛЧМ сигнала и приводит к искажению формы сжатого импульса на выходе согласованного фильтра и увеличивает уровень боковых лепестков автокорреляционной функции (АКФ).

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство, построенное на основе многоканального согласованного фильтра [2, стр.348, рис.21.3], который выбран в качестве прототипа.

Устройство содержит N полосовых фильтров, N усилителей, N фазовращателей и общий сумматор.

При этом вход устройства является входом 1N полосовых фильтров, которые через 1N усилителей и 1N фазовращателей подключены к общему сумматору, выход которого является выходом устройства.

Работа данного устройства заключается в расфильтровке частотных составляющих многочастотного сигнала по частотным каналам, их раздельной обработке с последующим когерентным суммированием. Полосовые фильтры пропускают сигналы в каждом из N каналов, выделяя требуемую полосу частот. Полоса пропускания каждого фильтра примерно равна F/N, где F - ширина спектра, N - число элементов в сигнале и число каналов в фильтре.

На выходе полосовых фильтров сигнал будет иметь вид (1).

Далее сигнал каждого из N каналов поступают на усилитель с коэффициентом усиления К_у, а затем на фазовращатель , обеспечивающий сдвиг фаз -_n или 2-_n.

С выходов фазовращателей сигналы всех каналов поступают в сумматор. Комплексную огибающую импульсной характеристики согласованного фильтра можно представить в виде: , где c - коэффициент пропорциональности (в дальнейшем без ущерба для общности примем c=1; f₀ - средняя частота МЧ сигнала; t₀ - некоторое время запаздывания; - комплексная огибающая когерентного МЧ сигнала).

Вышеописанное устройство, осуществляет обработку многочастотного сигнала, а его основным недостатком является ограниченные функциональные возможности по обработке сложных сигналов с внутриимпульсной фазо-кодовой манипуляцией.

Основной целью предлагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей прототипа по обработке сложных многочастотных сигналов с внутриимпульсной фазо-кодовой манипуляцией. Одним из таких сложных сигналов является многочастотный линейно-частотно-модулированный фазо-кодо-манипулированный сигнал (МЧ ЛЧМ ФКМ), состоящий из N количества парциальных ЛЧМ радиоимпульсов, имеющих одинаковую девиацию частоты f₀ и излучаемых одновременно на разных несущих частотах, при этом внутри парциальных ЛЧМ радиоимпульсов фаза меняется по закону генерируемой M-последовательности (фиг.2).

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство обработки многочастотного сигнала, содержащее с 1-го по N-ый полосовой фильтр, выходы которых соединены со входами с 1-го по N-ый усилитель соответственно, выходы которых соединены через с 1-го по N-ый фазовращатель со входом сумматора, выход которого является выходом устройства дополнительно введены смеситель, ЛЧМ гетеродин, фазовый модулятор, генератор M-последовательности, при этом генератор M-последовательности, подключен к первому входу фазового модулятора, второй вход которого является выходом ЛЧМ гетеродина, при этом выход фазового модулятора является вторым входом смесителя, первым входом которого является вход устройства, а его выходом является вход с 1-го по N-ый полосовой фильтр.

Данное устройство при условиях, имеющих место на практике, позволяет достичь следующего технического эффекта: расширить функциональные возможности прототипа, то есть обеспечить корреляционно-фильтровую обработку многочастотного ЛЧМ сигнала с двоичной фазо-кодовой манипуляцией по коду M-последовательности с одночастотным гетеродинированием.

Технический эффект в предлагаемом устройстве достигается за счет введения смесителя 1, ЛЧМ гетеродина 6, фазового модулятора 7, генератора M-последовательности 8, что позволяет, в отличии от прототипа, с помощью двоичного кода M-последовательности произвести манипуляцию фазы ЛЧМ сигнала, а затем фазовую и частотную демодуляцию поступающего на вход многочастотного линейно-частотно-модулированного фазо-кодо-манипулированного (МЧ ЛЧМ ФКМ) сигнала, с последующей фильтрацией и когерентным суммированием частотных составляющих.

Реализация предлагаемой полезной модели не требует конструктивных изменений в аппаратуре существующих РЛС и сводится к введению в их состав дополнительного устройства когерентной обработки многочастотных ЛЧМ ФКМ сигналов.

Структурная схема разработанного устройства корреляционно-фильтровой обработки МЧ ЛЧМ ФКМ сигнала с одночастотным гетеродинированием приведена на фиг.1.

Данное устройство предназначено для работы совместно с устройством формирования многочастотного ЛЧМ ФКМ сигнала.

В состав устройства корреляционно-фильтровой обработки МЧ ЛЧМ ФКМ сигнала с одночастотным гетеродинированием входят: смеситель 1, полосовые фильтры 2-1, 2-2, , 2-N, усилители 3-1, 3-2, , 3-N, фазовращатели 4-1, 4-2, , 4-N, сумматор 5, ЛЧМ гетеродин 6, фазовый модулятор 7, генератор M-последовательности 8.

Рассмотрим соединение элементов устройства корреляционно-фильтровой обработки многочастотного ленейно-частотно-модулированного фазо-кодо-манипулированного сигнала с одночастотным гетеродинированием.

Генератор M-последовательности 8 выход которого соединен с первым входом фазового модулятора 7, второй вход которого подключен к выходу ЛЧМ гетеродина 6, а выход является вторым входом смесителя 1, первым входом которого является первый вход устройства, а его выход является входами с 1-го по N-ый полосовой фильтр 2-1, 2-2, , 2-N, выходы которых соединены соответственно с входом 1-го, 2-го, , N-го усилителя 3-1, 3-2, , 3-N, выходы которых соединены соответственно с входом 1-го, 2-го, , N-го фазовращателя 4-1, 4-2, , 4-N, выходы которых соединены с сумматором 5, выход которого является выходом устройства.

Работа устройства заключается в фазовой и частотной демодуляции принятого многочастотного линейно-частотно-модулированнного сигнала с двоичной фазокодовой манипуляцией, согласованной обработке частотных составляющих и их когерентном суммировании.

Рассмотрим более подробно работу устройства. С выхода генератора M-последовательности 8, который может быть выполнен как показано в [3, стр.145-150], на первый вход фазового модулятора 7 поступает двоичная M-последовательность. На второй его вход поступает сигнал с ЛЧМ гетеродина, фаза которого в свою очередь, модулируется сформированной M-последовательностью в фазовом модуляторе.

На первый вход смесителя 1 поступает МЧ ЛЧМ ФКМ сигнал с манипуляцией фазы двоичной M-последовательностью (фиг.2):

где U₀ - амплитуда входных СВЧ колебаний, M=SU_м - индекс фазовой гармонической модуляции, - крутизна фазовой модуляционной характеристики модулятора, f₀, _u - девиация частоты и длительность парциального ЛЧМ радиоимпульса, _i(t) - фазовая манипуляция внутри СВЧ ЛЧМ радиоимпульса, F_м - частота гармонического модулирующего напряжения, ₀(t) - начальная фаза парциального ЛЧМ радиоимпульса. Используя известное равенство:

где J_n(z) - функция Бесселя первого рода n-го порядка действительного аргумента z, выражение (3) можно преобразовать к виду:

где n - номер парциального ЛЧМ радиоимпульса.

На второй вход смесителя 1 поступает гетеродинный ЛЧМ ФКМ сигнал, представленный на фиг.2, с манипуляцией фазы той же M-последовательностью, в общем виде, выражение которого можно записать как:

где _i(t) - фазовая манипуляция внутри СВЧ ЛЧМ радиоимпульса, ₀ - его начальная фаза.

В смесителе 1 производится перемножение сигналов, поступающих на его входы, при этом низкочастотные составляющие отфильтровываются, таким образом производится частотная и фазовая демодуляция поступающего на вход МЧ ЛЧМ ФКМ сигнала. На выходе смесителя имеет место многочастотный простой сигнал (фиг.2) вида:

Данный многочастотный сигнал можно представить на частотной оси в виде суммы гармоник (фиг.3), которые усиливаются в усилителях с коэффициентом усиления пропорциональным амплитуде гармоники, затем выравниваются по начальным фазам с помощью регулируемых фазовращателей для их когерентного суммирования в сумматоре 5. Сигнал на выходе сумматора 5 изображен на фиг.3.

В качестве базового объекта выбран прототип, поскольку он отвечает необходимым требованиям, предъявляемым к подобным устройствам в настоящее время.

В отличие от базового объекта, в котором можно производить обработку многочастотного сигнала, предлагаемое устройство позволяет осуществлять корреляционно-фильтровую обработку многочастотного ЛЧМ сигнала с двоичной фазо-кодовой манипуляцией по коду M-последовательности с одночастотным гетеродинированием. Это стало возможным путем включения смесителя, ЛЧМ гетеродина, фазового модулятора, а также генератора M-последовательности. При этом включение дополнительных элементов существенно не усложняет алгоритм работы предлагаемого устройства в целом, но, позволяет обрабатывать многочастотный ЛЧМ сигнал с двоичной фазо-кодовой манипуляцией по коду M-последовательности с одночастотным гетеродинированием.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет осуществлять корреляционно-фильтровую обработку многочастотного ЛЧМ сигнала с двоичной фазо-кодовой манипуляцией по коду M-последовательности с одночастотным гетеродинированием и может быть изготовлено на известной элементной базе и известными промышленными средствами.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Н.Г. Батурин, А.В. Гомозов, В.И. Гомозов, А.В. Зюзин. Динамическая теория формирования сложных СВЧ сигналов с высокой скоростью модуляции: Монография. - Ярославль, 2010. - 552 с.

2. Л.Е. Варакин. Системы связи с шумободобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985. - 384 с.

3. В.Б. Пестряков, В.П. Афанасьев, В.Л. Гурвиц. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. - М., «Сов. радио», 1973, 424 с.

Устройство корреляционно-фильтровой обработки многочастотного линейно-частотно-модулированного фазо-кодо-манипулированного сигнала с одночастотным гетеродинированием, содержащее с 1-го по N-й полосовой фильтр, выходы которых соединены со входами с 1-го по N-й усилителей соответственно, выходы которых соединены со входами с 1-го по N-й фазовращатель соответственно, выходы которых соединены со входом сумматора, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что дополнительно введены смеситель, ЛЧМ гетеродин, фазовый модулятор, генератор М-последовательности, при этом генератор М-последовательности подключен к первому входу фазового модулятора, второй вход которого является выходом ЛЧМ гетеродина, при этом выход фазового модулятора является вторым входом смесителя, первым входом которого является вход устройства, а его выходом является вход с 1-го по N-й полосовых фильтров.