Широкополосный быстродействующий возбудитель с высоким качеством частотно-модулированной шумовой помехи

С.А. Шерстюков,

кандидат технических наук, доцент

В.В. Недомолкин

М.П. Горелышев

ШИРОКОПОЛОСНЫЙ быстродеиствующии возбудитель

С ВЫСОКИМ КАЧЕСТВОМ ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННОЙ

ШУМОВОЙ ПОМЕХИ

BROADBAND SPEED EXCITER WITH HIGH QUALITY FREQUENCY-MODULATED NOISE INTERFERENCE

Описаны теоретические и практические аспекты построения частотно-модулированных возбудителей (ЧМВ) на основе кольца импульсно-фазовой автоматической подстройки частоты (ИФАПЧ) с использованием модуляции фазы импульсов опорного сигнала. Приводится структурная схема и временные диаграммы, поясняющие принцип реализации частотной модуляции генератора, управляемого напряжением, в диапазоне рабочих частот 30—108 МГц при модулирующем шуме с частотами от 20 Гц до 20 кГц. На основе приводимых принципиальных схем даётся краткое описание работы ЧМВ.

Theoretical and practical aspects of frequency-modulated exciters (FME) based on a ring of pulse-phase automatic frequency tuning using modulation phases of the reference pulse signal are described. A schematic diagram and a time diagram explaining the principle of frequency modulation generator, voltage, frequency range 30—108 MHz with modulating noise at frequencies from 20 Hz to 20 kHz are suggested. A brief description of FME operation is defined on the basis of the given circuit diagrams.

Для радиоэлектронного подавления (РЭП) каналов радиоуправления взрывными устройствами (РВУ) с целью защиты личного состава и объектов автомобильной и бронетехники отечественной промышленностью выпускаются передатчики помех различных типов, имеющие возможность работы в широком диапазоне частот несущего колебания (от 20 МГ ц до 6 ГГ ц) и с различными видами модуляции шума. Различаясь мощностью и частотными диапазонами, конструктивным исполнением и массогабаритными характеристиками, все они имеют сходную идеологию построения по трём основным

принципам: на основе линейно-частотной модуляции шума (ЛЧМШ), стохастического метода и их комбинирования.

Наиболее распространены ЧМВ, построенные по методу на основе ЛЧМШ и содержащие: М — плату модулятора; ГУН — генератор, управляемый напряжением; блок ФАПЧ (фазовой автоматической подстройки частоты), включающий ДФКД — делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, ДПКД — делитель частоты с переменным коэффициентом деления, ИФД — импульсно-фазовый детектор, ОГ — опорный генератор, БУ — блок управления. Одновременно вопросы повышения скорости перестройки наряду с улучшением спектральной чистоты выходного колебания и качества модуляции ЧМВ находят постоянный практический интерес среди разработчиков новой аппаратуры данного направления. В настоящее время в системах РЭП РВУ наметилась тенденция построения ЧМВ по схеме, изображённой на рис. 1. Эта схема образуется цепью импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ), в которой используется одноточечный метод частотной модуляции ЧМ2 [1, 2] посредством модуляции фазы импульсов опорного сигнала.

Рис. 1. Структурная схема ЧМ возбудителя: ОД — опорный делитель; ФИ — формирователь импульсов запуска; КЗ — ключ запуска; УИТ — управляемый источник тока разряда; С — конденсатор; П — повторитель; УС — устройство сравнения; ИОН — источник опорного напряжения; К — компаратор; ГПН — генератор линейно падающего напряжения; ОСЧ — опорный синтезатор частот (СЧ); И — интегратор; ИМС — источник модулирующего сигнала; ЧФД — частотно-фазовый детектор; ЗН — зарядовая накачка; LC — LC фильтр; ФНЧ — фильтр нижних частот; Д — делитель тракта приведения; ГУН — генератор, управляемый напряжением; УУТ — устройство управления током ЗН

Система ИФАПЧ возбудителя осуществляет слежение за задающим сигналом опорного синтезатора частот (СЧ), после прохождения его через опорный делитель ОД и ФМ на синхронизирующий вход ЧФД. При этом выходная частота /вых возбудителя определяется следующим соотношением:

/вых=

где /сч — частота задающего сигнала ОСЧ; #тп — постоянный коэффициент деления делителя тракта приведения Д; #оп — постоянный коэффициент деления опорного делителя ОД.

Таким образом, на выходе ГУН возбудителя можно получить дискретное множество частот:

где Л/сч — шаг сетки частот на выходе ОСЧ. В качестве ОСЧ можно использовать любое устройство синтеза частот: СЧ на основе системы ИФАПЧ, цифровой вычислительный синтезатор, аналоговый вычислительный синтезатор или СЧ на основе комбинации этих методов синтеза.

Следует отметить, что если частота сравнения на ЧФД ,/ср=/сч/Лгоп меняется в диапазоне рабочих частот _/вых, то в случае равенства коэффициентов деления #тп =Лгоп выполняется соотношение_/вых = /сч с шагом Л/вых = Л/сч. В случае неравенства Ывп Ф Ытп устанавливается некоторая трансформация значений ЛУвых и Л/сч в зависимости от соотношения величин коэффициентов деления Ытп / Ыоп.

После установления синхронизма в кольце ИФАПЧ при смене выходной частоты возбудителя посредством соответствующего изменения частоты ОСЧ осуществляется частотная модуляция ГУН подачей модулирующего шума ит(і) от ИМС через интегратор И на первый вход компаратора К. На второй вход К подаётся сигнал с выхода ГПН с частотой повторения /ср = _/сч/М,п со значением амплитуды «пилы» А. Следует особо отметить, что при формировании пилообразного напряжения с переменным периодом из сигнала с частотой сравнения /ср на ЧФД необходимо добиться постоянства амплитуды «пилы». Это достигается применением УИТ разряда «пилы» в сочетании с обратной связью по напряжению. Схема стабилизирует амплитуду «пилы» посредством отработки сигнала рассогласования на выходе СУ после сравнения по амплитуде сигнала ИОН с амплитудой «пилы» на конденсаторе С через повторитель П. Автоматическая подстройка величины тока разряда на выходе УИТ позволяет получить пилообразный сигнал с высокой линейностью наклона «пилы». Полоса частот модуляции/т=@т/2п лежит обычно в пределах от 20 Гц до 20 кГц. Поэтому сигнал ит(і) является более медленным процессом, чем процесс формирования пилообразного напряжения.

Механизм работы ФМ поясняется на рис. 2 с помощью временных диаграмм.

На выходе К формируется импульсный сигнал, фронт которого соответствует моменту совпадения входных сигналов. При отсутствии модуляции (рис. 2, а) фронт занимает среднее временное (фазовое) положение, отмеченное пунктирными линиями на графике. Изменение сигнала модуляции ит(іОт) по амплитуде приводит к изменению фазового положения на величину +Лф (рис. 2, б) и на величину - Лф (рис. 2, в) относительно среднего положения. Следовательно, ФМ работает по принципу управляемой линии задержки, когда величина задержки и её полярность управляются в соответствии с законом изменения модулирующего шума ит(/^т). Используя [1, 2], можно показать, что девиация частоты на выходе возбудителя с ИФАПЧ генератора ГУН в режиме ЧМ определяется соотношением

D

где mo6iФ(jQm} — частотная характеристика замкнутой системы ИФАПЧ; Кфм=2п/А — коэффициент передачи ФМ; ит — амплитуда модулирующего шума; А — амплитуда пилообразного напряжения; Ти — постоянная времени интегратора.

Рис. 2. Временные диаграммы, поясняющие механизм работы ФМ

Из выражения (3) видно, что ГПН в составе ФМ выполняет ключевую роль, так как, поддерживая постоянство амплитуды «пилы», обеспечивает постоянство коэффициента передачи Кфм=2п/А. Это стабилизирует уровень девиации в широком рабочем диапазоне частот выходного сигнала ГУН, являющегося выходным сигналом ЧМ возбудителя.Результатом модуляции фазы импульсов на выходе ФМ является изменение сигнала ошибки на выходе ЧФД, вызывающее отклонение частоты выходного сигнала ГУН. Контур системы ИФАПЧ обеспечивает устойчивость центральной частоты ГУН и не вырабатывает никакого сигнала противодействия, направленного на устранение модуляции ГУН. Следовательно, система ИФАПЧ возбудителя ведёт себя как эквивалентный фильтр нижних частот относительно сигнала ит(0, причём на некоторой частоте, меньшей частоты среза ОС=2пуС, существует подъём или провал частотной характеристики замкнутой системы ИФАПЧ. Практически неискажённая ЧМ модуляция имеет место на частотах ниже частоты среза кольца УС (например, 30—40 кГц), ограничиваясь снизу частотой 1/2пТи (например, 10—15 Гц).

Вход ФИ >

10

100н

НИ

М2

О = + 1

8

13

100н

Выход

-< ФМ

Рис. 3. Принципиальная схема опорного канала и ФМ: М1 — 1533ИЕ6; М2 — Н521СА3; Т3, Т5, Т6 — 2Т3129Б9; Т1, Т2, Т4 — 2Т3130 Б9

Перейдём к вопросу практической реализации широкополосного быстродействующего возбудителя с ЧМШ выходного сигнала. На рис. 3 представлена принципиальная схема опорного канала и ФМ. В описываемом возбудителе используется ОСЧ, который формирует сигнал с частотой в диапазоне 37,5—135 МГц с шагом 31,25 кГц и обеспечивает время переключения на любую частоту в рабочем диапазоне не более 0,6 мс. Выходной сигнал ОСЧ делится по частоте на 100 и подаётся на ФМ, который осуществляет фазовую модуляцию этого импульсного сигнала с частотой следования _/сч/100. На рис. 3 не показан предварительный опорный делитель ОД на 10, выполненный с использованием микросхемы 193ИЕ3. Сигнал с выхода ОД с помощью микросхемы М1 1533ИЕ6 делится по частоте на 10. При этом микросхема М1 используется одновременно и как ФИ запуска пилы. Затем сформированный импульсный сигнал с выхода ФИ подаётся на ключ запуска КЗ пилы на конденсаторе С. Пилообразный сигнал через разделительный конденсатор (390 пФ) поступает на инверсный вход компаратора М2, а также через транзистор Т5 в диодном включении на УС (транзистор Т4) для выработки сигнала рассогласования с ИОН (резистивный делитель). Сигнал рассогласования прикладывается на вход УИТ (база транзистора Т3), выполненного по схеме токового зеркала (транзисторы Т1 и Т2).

Модулирующий шум С/т(1) проходит через разделительный конденсатор на интегратор (интегрирующая RC-цепочка 120к и 100н соответственно), подключённый к неинверсному входу компаратора М2. Сигнал с выхода компаратора К, являющийся выходным импульсным сигналом ФМ, используется в качестве синхронизирующего входного сигнала для ЧФД кольца ИФАПЧ.

На рис. 4 приведена принципиальная схема ЧФД и канала управления частотой ГУН. ЧФД выполнен на микросхемах 1533ТМ2 и 1533ЛА3 по традиционной схеме с тремя устойчивыми состояниями [1]. Выходы ЧФД управляют ЗН, реализованной на транзисторах Т1, Т2, Т3 и Т4. Устройство ЗН, в свою очередь, нагружено ФНЧ и LC фильтром для выделения сигнала управления ГУН.

330 +30

Рис. 4. Принципиальная схема канала управления ГУН: М1 — 1533ТМ2; М2 — 1533ЛА3; Т1, Т3 —2Т664А9;Т2, Т4 — 2Т665А9

Ответвлённый сигнал с выхода ГУН подаётся на делитель частоты Д тракта приведения с коэффициентом деления 80 (схема не приводится, т.к. может быть легко реализована на микросхемах 193 и 1533 серий) и далее на второй синхронизируемый вход ЧФД. Кольцо ИФАПЧ осуществляет слежение за сигналом с выхода ОСЧ. При этом, согласно формулам (1) и (2), /вых/80=/сч/100 или /вых=/сч/1,25 с А/вых=31,25 МГц/1,25=25 кГц. Следовательно, частота сравнения на ЧФД при работе возбудителя в диапазоне выходных частот 30—108 МГц лежит в пределах (30—108) МГц/80, т.е. в пределах

0,375—1,35 МГц.

Система ИФАПЧ выполнена с полосой эффективного регулирования, определяемой частотой среза кольца /С, около 30-40 кГц для реализации высокого быстродействия и требуемой широкой полосы амплитудно-частотной характеристики (АЧМХ) возбудителя.

По своей физической сути рассматриваемое кольцо ИФАПЧ представляет собой сравнительно узкополосный следящий фильтр с низкочастотной характеристикой modФ(jQm). Поэтому из вышеизложенного очевидно, что для реализации высоких требований по качеству модуляции (нелинейные искажения, неравномерность АЧМХ) не-

обходимо обеспечить не только достаточное постоянство значения коэффициента передачи ФМ Кфм=2п/А, но и стабильность частотной характеристики замкнутого кольца ИФАПЧ modФ(jQm) в широком диапазоне выходных частот возбудителя 30—108 МГц. Проблема стабильности частотной характеристики состоит в том, что на практике трудно сохранять значение коэффициента усиления замкнутого кольца в широком частотном диапазоне по причине нелинейности характеристики управления ГУН.

В описываемом ЧМВ реальная средняя крутизна характеристики управления ГУН по четырём поддиапазонам меняется в пределах от 0,75 МГц/В до 4 МГц/В. Поэтому для сохранения приемлемого постоянства усиления замкнутого кольца ИФАПЧ в каждом из четырёх поддиапазонов с помощью УУТ устанавливается такое значение тока ЗН, которое компенсирует изменение средней крутизны ГУН. Схема УУТ позволяет в момент переключения поддиапазонов изменять напряжение смещения на базах транзисторов Т2 и Т4, тем самым изменяя значение тока ЗН. При этом полоса эффективного регулирования по поддиапазонам поддерживается около необходимого значения в 30— 40 кГц. Поэтому сохраняются условия по устойчивости ИФАПЧ (запасы по фазе и амплитуде, показатель колебательности). Это, в свою очередь, в достаточной мере гарантирует повторяемость частотной характеристики замкнутого кольца ИФАПЧ modФ(jQm), а следовательно, достаточную неравномерность АЧМХ в широкой полосе частот модуляции /Щ во всех четырёх поддиапазонах ЧМВ.

Следует отметить, что наличие УУТ благоприятно сказывается на степени подавления дискретной помехи с частотой сравнения /ср в спектре выходного сигнала ЧМ возбудителя. Для лучшего подавления в цепь управления ГУН включён LC фильтр, который эффективно ослабляет помеху с частотой сравнения /ср и не замедляет динамику кольца ИФАПЧ.

В то же время, с целью обеспечения электромагнитной совместимости своих систем радиосвязи при одновременном ведении РЭП РВУ, следует применять методы компенсации воздействия шума от передатчиков помех собственным системам радиосвязи, основанные на алгоритмах корреляционной обработки и жёсткой синхронизации времени работы «передатчик помех — система радиосвязи». При этом необходимо обеспечить высокую спектральную чистоту выходного сигнала ЧМВ. Это обстоятельство выдвигает требование обеспечения спектральной плотности мощности фазовых шумов порядка -190 дБн/Гц на выходе ГУН при 10%-ной отстройке относительно несущей [4]. Поэтому для достижения такого низкого уровня шумов в описываемом возбудителе задействован ГУН, имеющий выходную мощность около 1 Вт.

В результате были реализованы следующие основные технические характеристики ЧМВ:

- диапазон рабочих частот: 30—108 МГц;

- время установления новой частоты во всём диапазоне рабочих частот с точностью ±1кГц: не более 0,6 мс;

- шаг сетки частот: 25 кГц;

- уровень выходного сигнала на нагрузке 50 Ом: не менее 6 В;

- среднеквадратичное значение паразитного отклонения частоты рабочего колебания, измеренное в полосе частот от 20 Гц до 20 кГц: не более 10 Гц;

- девиация частоты при уровне модулирующего напряжения ±500 мВ и частоте модулирующего напряжения 1 кГц: ±5,6 кГц;

- среднеквадратичное значение коэффициента нелинейных искажений в полосе измерения от 20 Гц до 20 кГц: не более 2%;

- неравномерность АЧМХ выходного сигнала в полосе частот модуляции от 20 Гц до 20кГц: не более 3дБ;

- уровень дискретных побочных спектральных составляющих при отстройке от несущей на /ср=Усч/Мш: не более -80 дБ;

- спектральная плотность мощности фазовых шумов при отстройке относительно несущей на 10% и более: не более -185 дБн/Гц.

Приведённые характеристики говорят о том, что описанная схемная реализация ЧМВ позволяет значительным образом устранить противоречия между спектральными, динамическими и модуляционными характеристиками системы ИФАПЧ.

В заключение необходимо отметить, что модулирующий шумовой сигнал, поступающий на ГУН, формируется в блоке модулятора, который в статье не показан. Блок модулятора состоит из источника шумового напряжения, выполненного с применением шумового диода, усилителя шумового напряжения, генератора пилообразного напряжения, частота которого изменяется по случайному закону, линейного сумматора шумового и пилообразного напряжений, а также фильтра нижних частот, формирующего заданный участок шума. В зависимости от средней частоты модулирующей «пилы» ЧМШП может вырождаться в свипирующую помеху В целом описанный алгоритм работы ЧМВ позволяет осуществить формирование ЧМШП, по своим свойствам близкой к белому шуму в ограниченной полосе частот.

ЛИТЕРАТУРА

1. Тихомиров Н.М., Романов С.К., Леньшин А.В. Формирование ЧМ сигналов в синтезаторах с автоподстройкой / под ред. Н.М. Тихомирова. — М.: Радио и связь, 2004.

— 245 с.

2. Романов С.К., Тихомиров Н.М. Техника средств связи // Техника радиосвязи.

— 1982. — № 7. — С. 68.

3. Тихомиров Н.М. Свидетельство на ПМ № 27441 // БИ. — 2003. — №3.

4. Пространственные и вероятностно-временные характеристики эффективности станций ответных помех при подавлении систем радиосвязи / под ред. В.И. Борисова.

— М.: РадиоСофт, 2008. — 362 с.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ СТАТЬИ:

Шерстюков Сергей Анатольевич. Профессор кафедры телекоммуникационных систем. Кандидат технических наук, доцент.

Воронежский институт МВД России.

E-mail: sergesher@rambler.ru

Россия, 394065, Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. 8-910-345-33-15.

Недомолкин Валерий Вячеславович. Преподаватель-методист отдела информационно-технического обеспечения учебного процесса.

Воронежский институт МВД России.

E-mail: sergesher@rambler.ru

Россия, 394065, Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. 8-908-134-25-65.

Горелышев Михаил Павлович. Слушатель 5 курса радиотехнического факультета. Воронежский институт МВД России.

E-mail: sergesher@rambler.ru

Россия, 394065, Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. 8-908-147-70-62.

Sherstyukov Sergey Anatolyevich. Professor of the chair of telecommunications systems. Candidate of technical sciences, assistant professor.

Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.

Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. 8-910-345-33-15.

Nedomolkin Valery Vyacheslavovich. Lecturer-methodist of the information maintenance of educational process division.

Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.

Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. 8-908-134-25-65.

Gorelyshev Mikhail Pavlovich. 5-year cadet of Radioengineering department.

Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.

Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. 8-908-147-70-62.

Ключевые слова к статье: модулирующий шум; частотно-модулированный возбудитель; импульсно-фазовая автоматическая подстройка частоты.

Keywords: modulating noise; frequency-modulated exciters; pulse-phase automatic frequency tuning.

УДК 621.396.42