Устройство цифрового синтеза многочастотного линейно-частотно-модулированного фазокодоманипулированного сигнала в режиме полнополяризационного зондирования пространства

Предлагаемое устройство относится к области радиотехники, и может быть использовано в полнополяризационных радиолокационных системах обнаружения, распознавания и селекции.
φ
S
Т
f
φ0
f
Из существующего уровня техники известно устройство, цифровой вычислительный синтезатор [1, стр.109], содержащее последовательно включенные накопитель кода фазы, преобразователь кода фазы k в код ординаты k и цифроаналоговый преобразователь. Все цифровые узлы тактируются от опорного генератора с частотой f. На вход накопителя кода фазы поступает код частоты k, а в регистр накопителя кода фазы записан код начальной фазы k. С каждым импульсом тактовой частоты в накопителе кода фазы к текущему коду фазы прибавляется код частоты k, так что на выходе накопителя кода фазы накапливается код выходной фазы
где i – текущий номер тактового импульса.
φ
0
f
Nφ
Nφ
Если N- количество разрядов кода частоты, а R=2 – объем счетчика, то за один цикл накопления до переполнения в накопителе кода фазы пройдет M=ent(2/k) целых тактовых интервалов.
S
φ
Форма выходного колебания на периоде записана в преобразователе кода в виде зависимости кода ординаты kот кода фазы k. В стандартных цифровых вычислительных синтезаторах формируются сигналы прямоугольной, треугольной, пилообразной или гармонической формы; заменой таблицы преобразователя кодов можно создать синтезатор сигналов иной формы [1, стр.109, рис.4.1]. Однако это устройство обладает ограниченными функциональными возможностями по формированию продолжительных во времени сигналов со сложными видами модуляции, кроме того, одноканальность приводит к возможности применения сформированного сигнала только в одной плоскости поляризации.
Также известно устройство, цифровой вычислительный синтезатор со средствами формирования сигналов с манипуляцией фазы или модуляцией частоты по линейному закону [1, стр.114, рис.4.7], содержащее опорный генератор, схему управления и синхронизации, накопитель кода частоты, накопитель кода фазы, цифровой модулятор кода фазы, двухканальный преобразователь кода и два цифроаналоговых преобразователя. При этом опорный генератор соединён со схемой управления и синхронизации, с выходов которой подаются тактовые импульсы с частотой  на все цифровые узлы. Также от схемы управления и синхронизации приходит код скорости нарастания частоты  на вход накопителя кода частоты, с выхода которого код частоты  подаётся на накопитель кода фазы, выход которого поступает на цифровой модулятор кода фазы, на второй вход которого со схемы управления и синхронизации приходит код модуляции фазы . С выхода модулятора кода фазы на вход преобразователя кода подаётся код фазы . На вход цифроаналоговых преобразователей с выхода преобразователя кода поступают код синуса  и косинуса , а выходы цифроаналоговых преобразователей являются выходами устройства.
β
f
φМОД
Работа известного устройства заключается в следующем. Все цифровые узлы тактируются от схемы управления и синхронизации. На выходе накопителя кода частоты формируется увеличивающаяся в зависимости от кода скорости нарастания частоты k величина k, которая поступает на вход накопителя кода фазы. На выходе накопителя кода фазы формируется код текущей фазы, который поступает на вход модулятора кода фазы, на другой вход которого поступает код модуляции фазы k. Результирующий код фазы
где i – текущий номер тактового импульса;
– код начальной фазы;
f0
k – код начальной частоты, в зависимости от номера i изменяется по квадратичному (ступенчатому с учетом дискретизации) закону, а частота выходного сигнала цифрового вычислительного синтезатора меняется по линейному закону. Формирование сигналов с фазовой манипуляцией производится благодаря введению цифрового модулятора кода фазы в виде сумматора. На выходе устройства после преобразователя кода и двух цифроаналоговых преобразователей имеем два сигнала с манипуляцией фазы или модуляцией частоты по линейному закону, отличающиеся друг от друга на половину периода (sin(x) и cos(x)).
Недостатком вышеописанного устройства являются ограниченные функциональные возможности по формированию многочастотных (с дополнительной модуляцией частоты по гармоническому закону) линейно-частотно-модулированных фазокодоманипулированных (с любой заданной псевдослучайной последовательностью) сигналов для полнополяризационного зондирования пространства [4], а именно: дополнительная частотная модуляция сформированного линейно-частотно-модулированного сигнала не предусмотрена существующей схемой, и сигналы на выходе отличаются только на половину периода, а по внутренней структуре модуляции одинаковы.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является расширение функциональных возможностей цифрового вычислительного синтезатора по формированию широкополосных сигналов со сложными видами модуляции для их излучения в двух ортогональных поляризациях. Одним из таких сложных сигналов является многочастотный (с дополнительной модуляцией частоты по гармоническому закону) линейно-частотно-модулированный фазокодоманипулированный (с любой заданной псевдослучайной последовательностью) сигнал, представляющий собой линейно-частотно модулированный сигнал, частота которого, кроме линейного изменения, изменяется дополнительно по гармоническому закону с частотой фазовой модуляции , а полная фаза сигнала изменяется в соответствии с заданными параметрами псевдослучайной последовательности. Данный сложный сигнал формируется в двух каналах, с различными параметрами модуляции, что даёт возможность излучать их на двух ортогональных поляризациях [2].
Поставленная задача решается за счет того, что устройство цифрового синтеза многочастотного линейно-частотно-модулированного фазокодоманипулированного сигнала в режиме полнополяризационного зондирования пространства включает опорный генератор, схему управления и синхронизации, два регистра кода нижнего значения несущей частоты, четыре цифровых сумматора, два накопителя кода фазы, два модулятора кода фазы, четыре преобразователя кода, два регистра кода шага частоты, два накопителя кода частоты, два регистра кода индекса фазовой модуляции, два перемножителя, два ключа, два регистра кода половины периода синуса, два регистра кода фазовой модуляции, два накопителя кода модуляции частоты, два генератора псевдослучайной последовательности, два счетчика-делителя, два цифроаналоговых преобразователя, два фильтра нижних частот; при этом выход опорного генератора через схему управления и синхронизации соединен с тактовыми входами всех цифровых элементов устройства, первый цифровой выход кода нижнего значения несущей частоты схемы управления и синхронизации соединен с входом первого регистра кода нижнего значения несущей частоты, выход которого соединен с первым входом первого цифрового сумматора, выход которого подаётся на вход первого накопителя кода фазы, выход которого соединен с первым входом второго цифрового сумматора, выход которого соединен с первым входом первого модулятора кода фазы, выход которого подается на вход первого преобразователя кода, выход которого подается на вход первого цифроаналогового преобразователя, выход которого подается на вход первого фильтра нижних частот, выход которого является первым выходом устройства; первый цифровой выход кода шага частоты схемы управления и синхронизации соединен с входом первого регистра кода шага частоты, выход которого подается на вход первого накопителя кода частоты, выход которого подается на второй вход первого цифрового сумматора; первый цифровой выход кода фазовой модуляции схемы управления и синхронизации соединен с входом первого регистра кода фазовой модуляции, выход которого подается на вход первого накопителя кода модуляции частоты, выход которого подается на вход второго преобразователя кода, выход которого соединен со вторым входом первого аппаратного перемножителя, выход которого соединен со вторым входом второго цифрового сумматора; первый цифровой выход кода индекса фазовой модуляции схемы управления и синхронизации соединен с входом первого регистра кода индекса фазовой модуляции, выход которого подается на первый вход первого аппаратного перемножителя; выход первого счетчика-делителя отсчетов сигнала на число М псевдослучайной последовательности подается на вход первого генератора псевдослучайной последовательности, выход которого соединен с первым входом первого ключа, выход которого соединен со вторым входом первого модулятора кода фазы; первый цифровой выход кода половины периода синуса схемы управления и синхронизации соединен с входом первого регистра кода половины периода синуса, выход которого соединен со вторым входом первого ключа; второй цифровой выход кода нижнего значения несущей частоты схемы управления и синхронизации соединен с входом второго регистра кода нижнего значения несущей частоты, выход которого соединен с первым входом третьего цифрового сумматора, выход которого подаётся на вход второго накопителя кода фазы, выход которого соединен с первым входом четвертого цифрового сумматора, выход которого соединен с первым входом второго модулятора кода фазы, выход которого подается на вход третьего преобразователя кода, выход которого подается на вход второго цифроаналогового преобразователя, выход которого подается на вход второго фильтра нижних частот, выход которого является вторым выходом устройства; второй цифровой выход кода шага частоты схемы управления и синхронизации соединен с входом второго регистра кода шага частоты, выход которого подается на вход второго накопителя кода частоты, выход которого подается на второй вход третьего цифрового сумматора; второй цифровой выход кода фазовой модуляции схемы управления и синхронизации соединен с входом второго регистра кода фазовой модуляции, выход которого подается на вход второго накопителя кода модуляции частоты, выход которого подается на вход четвертого преобразователя кода, выход которого соединен со вторым входом второго аппаратного перемножителя, выход которого соединен со вторым входом третьего цифрового сумматора; второй цифровой выход кода индекса фазовой модуляции схемы управления и синхронизации соединен с входом второго регистра кода индекса фазовой модуляции, выход которого подается на первый вход второго аппаратного перемножителя; выход второго счетчика-делителя отсчетов сигнала на число М псевдослучайной последовательности подается на вход второго генератора псевдослучайной последовательности, выход которого соединен с первым входом второго ключа, выход которого соединен со вторым входом второго модулятора кода фазы; второй цифровой выход кода половины периода синуса схемы управления и синхронизации соединен с входом второго регистра кода половины периода синуса, выход которого соединен со вторым входом второго ключа.
Данное устройство при условиях, имеющих место на практике, позволяет достичь следующего технического результата: обеспечение формирования многочастотных (с дополнительной модуляцией частоты по гармоническому закону) линейно-частотно-модулированных фазокодоманипулированных (с любой заданной псевдослучайной последовательностью) сигналов для полнополяризационного зондирования пространства.
Технический результат в предлагаемом устройстве достигается за счет введения схемы модуляции частоты по гармоническому закону, схемы фазокодовой манипуляции сигнала псевдослучайной последовательностью и введения второго канала, полностью структурно дублирующего первый, с такой же тактовой частотой, но с другими значениями входных параметров, что позволяет синтезировать сигнал на ортогональной первому каналу поляризации, тем самым обеспечивая режим полнополяризационного зондирования пространства [2, 4].
Реализация предлагаемой полезной модели не требует конструктивных изменений в аппаратуре существующих радиолокационных станций и сводится к введению в их состав дополнительного устройства цифрового синтеза многочастотного линейно-частотно-модулированного фазокодоманипулированного сигнала, однако, если потребуется использование режима полнополяризационного зондирования пространства, тогда необходимо будет добавить ортогональный по поляризации первому каналу антенный излучатель на выходе второго канала.
Структурная схема разработанного устройства цифрового синтеза многочастотного линейно-частотно-модулированного фазокодоманипулированного сигнала в режиме полнополяризационного зондирования пространства приведена на фиг. 1.
В состав устройства цифрового синтеза многочастотного линейно-частотно-модулированного фазокодоманипулированного сигнала в режиме полнополяризационного зондирования пространства входят (в скобках будут указываться номера аналогичных структурных элементов для второго канала): опорный генератор 1, схема управления и синхронизации 2, регистр с кодом шага частоты 3 (22), накопитель кода частоты 4 (23), регистр с кодом нижнего значения несущей частоты 5 (24), цифровые сумматоры 6, 13 (25, 32), накопитель кода фазы 7 (26), регистр с кодом фазовой модуляции 8 (27), накопитель кода модуляции частоты 9 (28), преобразователь кода гармонического сигнала 10, 19 (29, 38), регистр с кодом индекса фазовой модуляции 11 (30), аппаратный перемножитель 12 (31), счетчик-делитель отсчётов сигнала на число  псевдослучайной последовательности 14 (33), генератор псевдослучайной последовательности 15 (34), регистр кода половины периода синуса 16 (35), ключ 17 (36), модулятор кода фазы 18 (37), цифроаналоговый преобразователь 20 (39), фильтр нижних частот 21 (40).
Рассмотрим соединение элементов устройства цифрового синтеза многочастотного линейно-частотно-модулированного фазокодоманипулированного сигнала в режиме полнополяризационного зондирования пространства.
От опорного генератора 1 через схему управления и синхронизации 2 тактируются все цифровые узлы устройства с частотой , для каждого канала выход перезаписываемого с помощью схемы управления и синхронизации регистра 3 (22) с кодом шага частоты  (для второго канала ) соединен с накопителем кода частоты 4 (23), выход которого соединён с накопителем кода фазы 7 (26) через сумматор 6 (25), на второй вход которого подаётся код  с регистра нижнего значения несущей частоты  (для второго канала )5 (24), а с выхода сумматора код частоты  (для второго канала ) поступает на накопитель кода фазы 7 (26), выход которого приходит на один из входов сумматора 13 (32), на второй вход которого поступает код с выхода схемы дополнительной модуляции частоты по гармоническому закону (выделена прерывистой линией), а выход сумматора поступает на один из входов модулятора кода фазы 18 (37), на второй вход которого приходит код с выхода схемы фазокодовой манипуляции сигнала псевдослучайной последовательностью (выделена прерывистой линией с точкой), а выходной код модулятора кода фазы поступает на преобразователь кода 19 (38), с которого код синуса  (для второго канала ) поступает на цифроаналоговый преобразователь 20 (39), с которого сигнал через фильтр нижних частот 21 (40) поступает на выход своего канала, при этом в обоих каналах в схемах модуляции частоты по гармоническому закону регистры 8 (27) с кодом фазовой модуляции  (во втором канале ) соединены с входом накопителя кода модуляции частоты 9 (28), с которого этот код  (во втором канале ) поступает в преобразователь кода синусоиды 10 (29), выход которого соединён аппаратным умножителем 12 (31) с регистром 11 (30), хранящим код индекса фазовой модуляции  (во втором канале ), а выход аппаратного умножителя 12 (31) соединён с входом сумматора 13 (32), на другой вход которого поступает сигнал из накопителя кода фазы 7 (26); в обоих каналах в схеме фазокодовой манипуляции сигнала псевдослучайной последовательностью счетчик-делитель 14 (33) отсчётов сигнала на число  (во втором канале ) псевдослучайной последовательности соединён с управляющим входом генератора псевдослучайной последовательности 15 (34), с выхода которого поступает на управляющий вход ключа 17 (36) код «1» или «0», а ключ соединяет либо разъединяет регистр кода половины периода синуса 16 (35) с модулятором кода фазы 18 (37).
Работа устройства заключается в формировании широкополосного сигнала, готового к излучению в режиме полнополяризационного зондирования пространства [2], за счёт использования различных типов модуляции и синтеза сигнала одновременно в двух каналах с различными параметрами модуляции и единой синхронизацией.
f
При работе устройства от опорного генератора 1 тактовые импульсы с частотой  подаются через схему управления и синхронизации 2 на все цифровые модули устройства. На накопитель кода фазы 7 (26) (в скобках будут указываться номера аналогичных структурных элементов для второго канала) подается код частоты k(для второго канала ), сформированный в результате подачи на цифровой сумматор 6 (25) кода нижнего значения несущей частоты   (для второго канала ) с соответствующего регистра 5 (24) и кода шага частоты  (для второго канала ), прошедшего через накопитель кода частоты 4 (23). Тем самым обеспечивается линейно-частотная модуляция сигнала, так как частота линейно нарастает в накопителе кода частоты 4 (23) от нижнего значения несущей частоты на величину девиации. Далее в схемах модуляции частоты по гармоническому закону поступающий в преобразователь кода синусоиды 10 (29) код модуляции частоты  (во втором канале ), приходящий с накопителя кода модуляции частоты 9 (28), на который подаётся код фазовой модуляции  (во втором канале ) с соответствующего регистра 8 (27), преобразуется в значения синуса, которые после перемножения в аппаратном умножителе 12 (31) со значением кода индекса фазовой модуляции  (во втором канале ), поступившим с соответствующего регистра 11 (30), после поступления на сумматор 13 (32) добавляют к линейно-частотной модуляции формирование многочастотного сигнала. В схеме фазокодовой манипуляции сигнала псевдослучайной последовательностью генератор псевдослучайной  () -последовательности 15 (34) управляет ключом 17 (36), который переключает фазу на половину периода с помощью регистра кода половины периода синуса 16 (35), при этом счетчик-делитель 14 (33) выполняет функцию делителя периода сигнала на число  (во втором канале ) псевдослучайной последовательности, тем самым обеспечивается фазокодовая манипуляция сигнала. Далее, в модуляторе кода фазы 18 (37) происходит окончательное формирование текущей фазы полученного сложного широкополосного сигнала путем сложения фазы на выходе сумматора 13 (32) и фазы на выходе схемы фазокодовой манипуляции сигнала псевдослучайной последовательностью, которая затем поступает в преобразователь кода синуса 19 (38), где каждому значению кода сопоставляется и поступает на выход преобразователя значение кода синуса, которое поступает в цифроаналоговый преобразователь 20 (39), где каждому значению кода синуса сопоставляется и поступает на выход соответствующий уровень напряжения, далее полученный сигнал поступает на сглаживающий фильтр нижних частот 21 (40), а затем на выход соответствующего канала.
В итоге имеем на выходе каждого канала синтезируется многочастотный линейно-частотно-модулированный фазокодоманипулированный сигнал с синхронным тактированием, но с различными параметрами модуляции, что даёт возможность выходы каналов подключить к антеннам, излучающим по отношению друг к друг в ортогональных плоскостях поляризации.
Полученный сигнал для каждого канала имеет следующий вид:
,
где  - сигнал, полученный на выходе 1-го и 2-го каналов;
- постоянная амплитуда сигнала, равная диапазону выходного напряжения цифроаналогового преобразователя;
- формирование фазы линейно-частотно-модулированного сигнала, за работу над которым (см. выше в описании работы устройства) отвечают элементы 3-7 (22-26);
- фаза многочастотного сигнала, формируемая с помощью схемы модуляции частоты по гармоническому закону, состоящей из элементов 8-12 (27-31) (см. выше в описании работы устройства);
- фазокодовая манипуляция псевдослучайной последовательностью, формируемая с помощью одноименной схемы, состоящей из элементов 14-17 (33-36) (см. выше в описании работы устройства).
Данный синтезированный сигнал и его спектр представлены на фиг.2 и фиг.3.
Таким образом, обеспечивается работа предлагаемого устройства, которое позволяет осуществить синтез многочастотного линейно-частотно-модулированного фазокодоманипулированного сигнала в режиме полнополяризационного зондирования пространства, и может быть изготовлено на известной элементной базе и известными промышленными средствами.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Формирование стабильных частот и сигналов: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Леонид Алексеевич Белов. – М.: Издательский центр «Академия». 2005. – 224 с.
2. Храбростин Б.В. Метод полного поляризационного зондирования пространства // Научные ведомости БелГУ, сер. Информатика, Прикладная математика, Управление, т.1. 2004. №1. С. 111-130.
3. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: Учеб. пособие для вузов.  – 2-е изд., перераб. и доп. – СПб.: БХВ-Петербург, 2005. – 800 с.: ил.
4. Зюзин А.В., Хайбутов К.Е., Рогов И.В., Скрябин Д.А. Требования к зондирующим сигналам в полнополяризационных РЛС с режимом селекции и распознавания // Сборник научных докладов по материалам XVII Всероссийской НПК "Проблемы развития и применения средств ПВО на современном этапе. Средства ПВО России и других стран, сравнительный анализ". - Ярославль: Издательство ЯВВУ ПВО, 2016. - С. 123-128.