Радиосигналы с комбинированной частотно-амплитудной модуляцией для быстродействующих радиотехнических устройств

Системы с различными видами частотной модуляции (ЧМ) находят широкое применение в различных радиотехнических устройствах. Особое место среди ЧМ систем занимают системы, которые используются в ситуациях с быстроменяющимися процессами, характерными для разных применений, в том числе в измерительных и локационных системах ближнего действия, работающих обычно в режиме непрерывного излучения, в широкополосных цифровых приемниках и т. п. Подобные системы с ЧМ могут использоваться для прецизионных измерений вибраций машин и механизмов, уровней жидкостей и сыпучих продуктов в закрытых резервуарах, давления внутри мощных турбин, толщины напыляемых плёнок, отклонений различной природы, например зданий, смещения ледников, в авиационных альтиметрах, системах стыковки, в транспортных радарах, в том числе со сверхширокополосными сигналами.

В ряде случаев анализ таких систем тесно связан с их динамическими свойствами, когда необходимо учитывать быстрые изменения параметров наблюдаемых объектов, например, быстрое движение автомобилей, двигающихся по пересекающимся траекториям. В таких ситуациях анализ переходных и быстроменяющихся процессов и сигналов в системе является принципиальным, и использование широко распространённых в теоретической радиотехнике методов квазигармонического анализа часто оказывается недопустимым. Поэтому поиск более адекватных таким задачам моделей сигналов, совершенных методов анализа систем с ЧМ, учитывающих быстроменяющиеся параметры, является одной из ключевых задач их проектирования.

Исследованиями в этой области занимаются (как издавна, так и сейчас) многие отечественные и зарубежные специалисты, но считать анализ завершенным нельзя, поскольку при исследовании ЧМ систем приходится сталкиваться со многими специфическими трудностями, связанными с условиями работы: сложностями анализа и обработки (аналоговой и цифровой) ЧМ сигналовнедостаточной развитостью математического аппарата для оценки параметров формируемых и обрабатываемых ЧМ сигналовнеобходимостью использования приближенных методов анализавозникновению перекрёст-} ных и комбинационных типов модуляций, например ЧМ-АМ, в нелинейных и параметрических системах. Теоретические наработки по анализу столь сложных систем порой оказываются недостаточно точными, что часто приводит на практике к серьёзным ошибкам. Поэтому проблема анализа и особенностей проектирования радиосистем, использующих частотно-модулированные сигналы, к которой относится и настоящая диссертационная работа, является на сегодняшний день весьма актуальной.

Цель диссертационной работы — разработка уточнённой теоретической модели сигналов, применяемых в реальных быстродействующих ЧМ систе-> мах, распространение методики составления и решения символических укороченных уравнений на задачи формирования и обработки ЧМ-АМ сигналов, реализация на базе разработанной модели эффективных методов анализа, проектирования и обработки информационных сигналов в трактах быстродействующих ЧМ систем, в том числе с использованием программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) в тракте цифровой обработки, а также экспериментальная проверка результатов с ориентировкой на миллиметровые автодинные системы ближней радиолокации (СБРЛ) и на современные автоматизированные цифровые узлы обработки.

Для достижения сформулированной цели в представленной диссерта-' ционной работе решаются следующие основные задачи.

1) Выбор математической модели сигнала, правильно аппроксимирующего реальный сигнал на выходе быстродействующих схем ЧМ генераторов и автодиновизучение особенностей формирования таких сигналов, методов оценки их параметров и характеристиксоставление рекомендаций по их практическому применению.

2) Распространение методики составления укороченных уравнений С. И. Евтянова на быстродействующие ЧМ систем с учетом динамических свойств этих систем и применяемых при этом ЧМ-АМ сигналов.

3) Исследование основных свойств полученных моделей сигналов с комбинированной ЧМ-АМ модуляцией и особенностей их прохождения через типовые каскады радиоприемных трактов ЧМ систем. Выработка р практических рекомендаций по компенсации и устранению влияния паразитной амплитудной модуляции на полезный сигнал при их взаимодействии.

4) Изучение влияния свойств ЧМ-АМ сигналов на погрешность измерений и качественная оценка их влияния на параметры автодинных СБРЛ. Разработка математических моделей качественной оценки этих параметров и выработка практических рекомендаций по повышению эффективности работы автодинных СБРЛ.

5) Разработка алгоритмов цифровой обработки информационных сигналов в СБРЛ, ориентированных на ПЛИС, с учётом проведённых теореt тических исследований. Формирование практических рекомендаций при проектировании трактов обработки систем ближней радиолокации.

6) Проведение экспериментальных исследований автодинных устройств в миллиметровом диапазоне.

Научная новизна.

1. Разработаны и исследованы модели сигналов с комбинированной ЧМ-АМ модуляцией, по параметрам наиболее близкие к реальным ЧМ сигналам, применяемым на практике в быстродействующих ЧМ системах. Разработаны необходимые уточнения к теории ЧМ систем, а также показана необходимость совершенствования теоретического анализа ЧМ автодинных систем ближнего действия.

2. Исследованы динамические характеристики быстродействующих ЧМ систем, в том числе автодинных СБРЛ, а также типовых каскадов трактов обработки сигналов в этих системах, при использовании усовершенствованных моделей ЧМ-АМ сигналов.

3. Метод символических укороченных уравнений Евтянова распространен на случай порождающих сигналов с комбинированной ЧМ-АМ модуляцией. Получены укороченные дифференциальные уравнения для ЧМ систем.

I при использовании ЧМ-АМ сигналов.

4. Разработан алгоритм качественной оценки влияния паразитной амплитудной модуляции* (ПАМ) на характеристики автодинных СБРЛ. Найдены характеристики ПАМ при различных вариациях основных параметров, таких как глубина модуляции, расстояние до отражающего объекта, частота модуляции и временные характеристики автодина.

5. Разработан эффективный алгоритм цифрового моделирования и цифровой обработки информационных сигналов в радарах ближнего действия. Оценена эффективность этого алгоритма при исследовании характеристик ЧМ автодинов.

6. Спроектирована и реализована экспериментальная установка для анализа автодинов миллиметрового диапазона с частотной модуляцией, изучены особенности паразитной амплитудной модуляции при прохождении ЧМ сигнала через тракт ближнего радиолокатора и спектры результирующего и выходного сигналов автодина.

Основные практические результаты.

1) Разработаны рекомендации по расчету динамических характеристик автоколебательных систем, перестраиваемых электрическим сигналом с помощью варикапов. Рекомендации позволили уточнить параметры излучаемых сигналов, используемых в быстродействующих ЧМ систем, в том числе автодинных СБРЛ.

2) Получены формулы для определения уровней паразитной амплитудной модуляции при различных законах модуляции частоты, которые позволили минимизировать ПАМ и уменьшить нелинейные искажения генерируемого сигнала.

3) Получены результаты численного анализа и рекомендации по повышению точности измерения расстояний в зоне чувствительности прецизионного измерителя малых перемещений, выполненного на основе ЧМ автодина, что позволило поднять точность и увеличить диапазон измеренийТрадиционно термин «паразитная АМ» используется для AM, возникающей при формировании ЧМ сигналов и, в большинстве случаен, негативно сказывающейся на работе. Как показано в диссертации, AM возникает при формировании ЧМ сигналов неизбежно, и часто её необходимо учитывать. Тем не менее, далее мы сохраняем для нее привычную аббревиатуру Г1АМ, хотя более корректным термином, по рекомендации к.т.н. 10.В. Шарова можно считать термин «сопутствующая AM» .

4) Разработаны рекомендации по проектированию блоков обработки сигналов автодинных СБРЛ различного назначения, основанные на экспериментальных измерениях и спектральных методах анализа информационных сигналов, в том числе с использованием цифровых методов обработки на базе ПЛИС.

Основные положении, выносимые на защиту.

1. Модель порождающего сигнала при анализе СБРЛ, близкого по параметрам к реальному сигналу.

2. Методика получения порождающих уравнений для параметрических ЧМ систем с учетом влияния ПАМ.

3. Распространение методики С. И. Евтянова по получению символических укороченных уравнений в комплексных амплитудах для ЧМ-АМ порождающих сигналов.

4. Методика расчёта ПАМ в ЧМ-АМ СБРЛ на основе укороченных уравнений.

5. Алгоритм цифровой реализации одного из способов спектральной обработки информационных сигналов фазовым методом в автодинных СБРЛ, реализованный на базе ПЛИС.

6. Структура и функционирование экспериментальной установки по исследованию и отладке миллиметровых автодинов на диодах Ганна.

Структура и состав работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы.

5.5 Выводы.

В главе исследуются основные характеристики сигналов автодинной быстродействующей ЧМ СБРЛ автодинного типа миллиметрового диапазона.

Для проведения исследования основных параметров и сигналов автодинной ЧМ СБРЛ была разработана измерительная установка, на базе КВЧ автодина на диоде Ганна. Проведены исследования работоспособности КВЧ макета, получены характерные эпюры, соответствующие автодинному сигналу при использовании ЧМ и при имитации Допплер-эффекта. Полученные характеристики оценивались качественными и количественными методами.

Проведена оценка уровня ПАМ, сопутствующей полезной ЧМ для зондирующего и автодинного сигналов при вариации такими параметрами, как частота модуляции зондирующего сигнала, частота Допплер-имитатора, изменение расстояний. В ходе экспериментов теоретические расчеты, полученные в 3 главе диссертации, подтвердились экспериментально. В главе экспериментально подтверждено, что метод анализа ЧМ систем на базе модифицированного метода Евтянова может быть использован при расчете быстродействующих ЧМ систем.

Из характеристик, полученных в ходе эксперимента видно, что с уменьшением расстояния влияние ПАМ на полезный автодинный сигнал значительно усиливается. Картина характерная для автодинного сигнала на значительном расстоянии от антенны существенно отличается от той, которая получается при малых расстояниях, т. е. с уменьшением расстояния уровень ПАМ и уровень полезной модуляции становятся сопоставимы, что подтверждает теоретические данные, изложенные в главе 3.

Проведенные измерения позволили выявить следующие особенности: — модулирующее колебание и колебание, снимаемое с выхода автодина при использовании поглощающей нагрузки, при больших амплитудах заметно искажены, при этом искажениями, вызванными усилителями БОС, можно пренебречь, поскольку их характеристика на низких частотах почти линейна. Поэтому можно сделать вывод о том, что основные искажения вызваны работой варикапа. В частности нелинейностью частотной зависимости излучения автодина от напряжения на варикапе, поскольку характер искажений для разных напряжений смещения на варикапе различный. — при малых амплитудах модулируемых колебаний появляется зашумлённость колебаний, снимаемых с выхода автодина, что вызвано работой СВЧ блока, взаимодействием варикапа и автодина, поскольку модулирующие колебания, поступаемые на вход варикапа такой зашумленности не имели. При этом форма выходных НЧ колебаний, соответствующая ПАМ, повторяет по форме модулирующее НЧ колебание на варикапе, а, следовательно, соответствует по виду модулируемому ВЧ сигналу, что подтверждает теоретические данные. В главе также проведено исследование автодинных модулей в гибридно-интегральном исполнении при непрерывном режиме работы, как с ЧМ по цепи питания диода Ганна, так и с использование варикапа с диодом Ганна планарной конструкции. Полученные в ходе эксперимента осциллограммы подтверждают теоретические данные и позволяют по знаку радиальной скорости при перемене направления движения и соответствующем изменении разности фаз сигналов на 180° определять требуемые характеристики объекта более надёжно, чем это достигается путём сложного анализа формы автодинного сигнала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Важнейшие новые научные результаты диссертации состоят в следующем.

1) Проведен обзор известных научных публикаций по вопросам использования сигналов с частотной и комбинированной частотно-амплитудной модуляцией в радиоустройствах различного назначения, а также по методам их теоретического рассмотрения.

2) Рассмотрены вопросы формирования математической модели ЧМ-АМ сигналов, по параметрам наиболее близких к реальным в практических устройствах формирования радиосигналов. Эта модель позволяет отказаться от часто используемого предположения об отсутствии сигнала ПАМ в задающем ЧМ генераторе и, тем самым, уточнить теоретический анализ. Рассмотрение дифференциального уравнения для заряда (в отличие от уравнения для напряжения) с подобранной моделью сигнала позволяет добиться для практически важного случая высокодобротных систем полного соответствия между исходным дифференциальным уравнением задачи и предложенной моделью порождающего сигнала. В случае учета только первого порядка малости в сигнале ПАМ удается для различных исходных избирательных систем представить более корректным образом входной сигнал радиоприемного устройства в форме, соответствующей реальному формирователю в передатчике.

3) Предложены методы получения порождающих уравнений для различных параметрических ЧМ-АМ систем, при этом показано, что переход от систем с постоянными параметрами к системам с переменными параметрами в некоторых случаях может приводить к существенным ошибкам при оценке параметров ЧМ-АМ систем.

4) Метод символических укороченных уравнений Евтянова распространен на случай порождающих сигналов с комбинированной ЧМ-АМ модуляцией. Получены в общем виде укороченные дифференциальные уравнения для ЧМ систем при использовании ЧМ-АМ сигналов.

5) Предложена методика для анализа параметрических ЧМ систем при использовании ЧМ-АМ сигналов, основанная на получении укороченных дифференциальных уравнений и последующей оценке уровня ПАМ из полученных укороченных уравнений для различных законов модуляции.

6) Разработан алгоритм качественной оценки влияния ПАМ на характеристики автодинных СБРЛ. Найдены характеристики ПАМ при различных вариациях основных параметров, таких как глубина модуляции, расстояние до отражающего объекта, частота модуляции и временные характеристики автодина.

7) Предложены алгоритмы цифровой реализации одного из способов спектральной обработки сигналов, основанной на оценке фазовых соотношений спектральных составляющих опорного и преобразованного сигналов. Проведена оценка погрешности предложенных алгоритмов обработки сигналов, симуляция и отладка проекта программы для ПЛИС осуществлялась на языке AHDL в пакете MaxPlus II фирмы «Altera» .

8) Разработан макет исследовательской установки по изучению автодинных ЧМ СБРЛ, позволяющий проводить качественную и количественную оценку основных параметров сигналов в таких системах с использованием ЭВМ. Реализация макета осуществлена на миллиметрового ЧМ автодина на диоде Ганна. Для макета установки разработаны алгоритмы обработки сигналов, реализован блок аналоговой обработки. Для оцифровки сигналов и последующего ввода данных в ЭВМ в макете использованы отладочные платы (Evaluation boards) для 2-х канального 16-ти разрядного АЦП AD7654 фирмы Analog Device.

9) На разработанном макете исследовательской установки проведена экспериментальная оценка уровня ПАМ при различных законах модуляции частоты, изменяемой с помощью варикапаполучены экспериментальные характеристики автодинного сигнала и уровня ПАМ при вариации различными параметрами ЧМ сигнала, такими как частота доплеровского имитатора, частота модуляции, а также расстояние, измерены основные характеристики КВЧ блока.