Устройство формирования многочастотного квазишумового сигнала

Предлагаемое устройство относится к области радиотехники и может быть использовано в радиолокационных системах обнаружения, распознавания и селекции.
k
k
k
k
k
ϕ
S
T
ƒ
ϕ
0
ƒ
Известно устройство, цифровой вычислительный синтезатор, содержащее последовательно включенные накопитель кода фазы, преобразователь кода фазы  в код ординаты  и цифроаналоговый преобразователь. Все цифровые узлы тактируются от опорного генератора с частотой ƒ. На вход накопителя кода фазы поступает код частоты , а в регистр накопителя кода фазы записан код начальной фазы . С каждым импульсом тактовой частоты в накопителе кода фазы к текущему коду фазы прибавляется код частоты , так что на выходе накопителя кода фазы накапливается код выходной фазы
i
где  - текущий номер тактового импульса.
N
R=2
M
=ent(2
/k
)
ϕ
0
ƒ
N
ϕ
N
ϕ
Если  - количество разрядов кода частоты, a  - объем счетчика, то за один цикл накопления до переполнения в накопителе кода фазы пройдет  целых тактовых интервалов.
k
k
S
ϕ
Форма выходного колебания на периоде записана в преобразователе кода в виде зависимости кода ординаты  от кода фазы . 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 высокочастотных, продолжительных во времени сигналов со сложным видом модуляции, кроме того одноканальность приводит к возможности применения сформированного сигнала только в одной плоскости поляризации.
k
k
k
β
ƒ
ϕ
МОД
Известно также устройство, позволяющее формировать сигналы с манипуляцией фазы или модуляцией частоты по линейному закону, содержащее накопитель кода частоты, накопитель кода фазы, цифровой модулятор кода фазы, двухканальный преобразователь кода и два цифроаналогового преобразователя [1, стр. 114, рис. 4.7]. Все цифровые узлы тактируются от схемы управления и синхронизации. Работа устройства заключается в том, что на выходе накопителя кода частоты формируется увеличивающаяся в зависимости от кода скорости нарастания частоты  величина , 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 . Результирующий код фазы
k
i
ƒ
0
где  - код начальной частоты, в зависимости от номера  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.
Недостатком этого устройства является ограниченные функциональные возможности по формированию высокочастотных шумовых и многочастотных квазишумовых [2] сигналов.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является цифровой вычислительный синтезатор с когерентным преобразованием частоты [1, стр. 121, рис. 4.13], который выбран в качестве прототипа.
Устройство содержит опорный генератор, делитель частоты, фазовращатель, накопитель кода фазы, постоянное запоминающее устройство, два цифроаналоговых преобразователя, два аналоговых перемножителя и аналоговый сумматор.
R
k
k
k
k
k
ƒ
S
С
S
С
При этом выход опорного генератора соединен с балансными перемножителями, фазовращателем и делителем частоты. Выход делителя частоты соединен с входом частоты тактирования накопителя кода фазы, на цифровые входы которого поступают коды объема счета  и код частоты . Выход накопителя кода фазы соединен с адресным входом постоянного запоминающего устройства, на выходе которого формируются коды сигналов  и , которые поступают на вход соответствующих цифроаналоговых преобразователей. Выходы цифроаналоговых преобразователей соединены с входами балансных перемножителей, второй вход которых соединен: для канала с кодом  с опорным генератором, для канала с кодом  с выходом фазовращателя. Выходы аналоговых перемножителей соединены со входами аналогового сумматора, на выходе которого формируется сигнал.
T
ƒ
S
C
n
k
k
k
Работа известного устройства заключается в следующем. Гетеродинное напряжение, частотой ƒ, через делитель частоты с заданным коэффициентом деления  подается в качестве тактового сигнала в накопитель кода фазы. На накопитель кода фазы также подаются код объема счета R, который определяет количество используемых отсчетов периода формируемого сигнала, и код частоты . На выходе накопителя кода фазы, выполненного в виде цифрового сумматора, формируется адрес обращения в постоянное запоминающее устройство. Постоянное запоминающее устройство состоит из двух ячеек памяти с параллельной адресацией, содержащих отчеты ортогональных между собой сигналами  и . Выходные коды постоянного запоминающего устройства связаны соотношением
и формируют квадратурные отсчеты. Данные отчеты сигнала поступают на цифроаналоговые преобразователи, на выходе которых формируется аналоговый сигнал. Частота повторения выходного сигнала
Аналоговые сигналы с выхода цифроаналоговых преобразователей поступают на первые входы балансных перемножителей, на второй вход которых поступает высокочастотное напряжение опорного генератора, при этом на вход второго перемножителя поступает гармоническое напряжение, сдвинутое по фазе на 90°. После выделения на выходах перемножителей верхней боковой полосы и суммирования их выходных колебаний в блоке сумматора напряжений формируется сверхвысокочастотный гармонический сигнал с частотой
Вышеописанное устройство, осуществляет формирование аналогового СВЧ-сигнала, отчеты которого записаны в постоянное запоминающее устройство. Его основным недостатком является ограниченные функциональные возможности по формированию продолжительных сложных сигналов, в том числе многочастотных квазишумовых.
N
o
Основной целью предлагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей прототипа по формированию сложных многочастотных сигналов. Одним из таких сложных сигналов является многочастотный квазингумовой сигнал, состоящий из  парциальных шумовых радиоимпульсов, имеющих одинаковую ширину полосы частот Δƒ и излучаемых одновременно на разных несущих частотах, при этом внутри парциальных шумовых радиоимпульсов значение мгновенной амплитуды меняется по квазишумовому закону в соответствии с заданными параметрами генератора псевдослучайной последовательности.
k
k
k
k
С
S
C
S
С
Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство цифрового вычислительного синтезатора с когерентным преобразованием частоты, содержащее опорный генератор, соединенный с балансными перемножителями, фазовращателем и делителем частоты, при этом выход делителя частоты соединен с входом частоты тактирования накопителя кода фазы, выход которого соединен с входом постоянного запоминающего устройства, на выходе которого формируются коды сигналов  и , которые поступают на вход 1-го и 2-го цифроаналоговых преобразователей, выходы которых соединены с 1-ми входами балансных перемножителей, 2-е входы которых соединены: для канала с кодом  с выходом опорного генератора, для канала с кодом  с выходом фазовращателя, выходы балансных перемножителей соединены с 1-м и 2-м входами аналогового сумматора, дополнительно введены перестраиваемый генератор псевдослучайной последовательности с цифровым фильтром низких частот, цифровой перемножитель и сумматор, фазовращатель, аналоговый фильтр низких частот, быстродействующая память типа First In - First Out (FIFO) с независимой адресацией [3, стр. 235], при этом выход перестраиваемого генератора псевдослучайной последовательности является входом цифрового фильтра низких частот, выход которого соединен с 1-м входом памяти типа FIFO, на 2-й вход которой поступают отсчеты сигнала гармонической формы с выхода цифрового сумматора, на 1-й вход которого поступает константа , а 2-й вход соединен с выходом цифрового перемножителя, на 1-й вход которого поступает код индекса фазовой модуляции, а 2-й вход соединен с выходом постоянного запоминающего устройства, вход которого соединен с выходом накопителя кода фазы, на 1-й вход которого поступает код частоты фазовой модуляции, выход памяти FIFO является входом цифроаналогового преобразователя, выход которого является входом фильтра низких частот, выход которого соединен с 1-м входом 1-го балансного перемножителя и фазовращателя, выход которого является входом 2-го балансного перемножителя, 2-е входы балансных перемножителей соединены с выходом опорного генератора для 1-го смесителя, и с фазовращателем сигнала опорного генератора для 2-го смесителя, выходы балансных смесителей являются 1-ми 2-м входами сумматора, выход которого является выходом устройства.
Данное устройство при условиях, имеющих место на практике, позволяет достичь следующего технического эффекта: расширить функциональные возможности прототипа, то есть обеспечить формирование многочастотного квазишумового сигнала в диапазоне сверхвысоких частот.
Технический эффект в предлагаемом устройстве достигается за счет введения перестраиваемого генератора псевдослучайной последовательности с цифровым фильтром низких частот, цифрового перемножителя и сумматора, фазовращателя, аналогового фильтра низких частот и быстродействующей памяти типа FIFO с независимой адресацией, что позволяет, в отличии от прототипа, формировать узкополосный хаотический процесс, записывать его отчеты в память FIFO и, за счет формирования адреса считывания отсчетов по гармоническому закону, осуществлять гармоническую фазовую модуляцию узкополосного хаотического процесса.
Реализация предлагаемой полезной модели не требует конструктивных изменений в аппаратуре существующих радиолокационных станций и сводится к введению в их состав дополнительного устройства формирования многочастотного квазишумового сигнала.
Структурная схема разработанного устройства формирования многочастотного квазишумового сигнала приведена на фиг. 1.
В состав устройства формирования многочастотного квазишумового сигнала входят: генератор случайных чисел 1, дискретный фильтр низких частот 2, накопитель кода фазы 3, постоянное запоминающее устройство 4, аппаратный перемножитель 5, цифровой сумматор 6, блок памяти FIFO 7, цифроаналоговый преобразователь 8, аналоговый фильтр низких частот 9, балансные перемножители 10, 11, фазовращатели 12, 16, сумматор 13, делитель частоты 14, опорный генератор 15.
Рассмотрим соединение элементов устройства формирования многочастотного квазишумового сигнала.
k
M
С
ƒ
ϕ
На 1-й вход накопителя кода фазы 3 поступает  - код частоты фазовой модуляции, на 2-й вход тактовый сигнал с выхода делителя частоты 14, выход накопителя соединен с входом постоянного запоминающего устройства 4, выход которого соединен с 1-м входом аппаратного перемножителя 5, на 2-й вход которого поступает индекс фазовой модуляции , выход перемножителя 5 соединен с 2-м входом сумматора 6, на 1-й вход которого поступает константа , выход сумматора 6 соединен с 2-м входом блока памяти FIFO 7, на 1-й вход которого поступают отсчеты хаотического сигнала с генератора случайных чисел 1 через дискретный фильтр 2, выход блока памяти FIFO 7 соединен с входом цифроаналогового преобразователя 8, выход которого, через фильтр низких частот 9, соединен с 1-м входом балансного перемножителя 10 и, через фазовращатель 12, с 1-м входом балансного перемножителя 11, 2-й вход перемножителя 10 соединен с выходом опорного генератора 15, а 2-й вход балансного перемножителя 11 соединен с выходом опорного генератора 15 через фазовращатель 16, выходы смесителей 10, 11 соединены с 1-ми 2-м входами сумматора 13 соответственно, выход которого является выходом устройства.
Работа устройства заключается в цифровом формировании отсчетов узкополосного хаоса и его однотональной фазовой модуляции с последующем цифроаналоговым преобразованием и смещением на несущую частоту.
k
k
k
F
М
С
ƒ
ϕ
S
m
ϕ
Работа устройства начинается с подачи тактового сигнала от рпорного генератора 15 через делитель частоты 14 на накопитель кода фазы 3 (по данному тактовому сигналу работают все цифровые модули устройства). На накопитель кода фазы 3 подается код частоты  однотональной фазовой модуляции. На его выходе формируется код фазы  в соответствии с которым в постоянном запоминающем устройстве производится считывание отсчетов гармонического сигнала  с частотой  поступающих на аппаратный перемножитель 5. В перемножителе 5 отсчеты гармонического сигнала умножаются на заданный коэффициент фазовой модуляции  и подаются на цифровой сумматор 6. В сумматоре 6 к кодам отсчетов гармонического сигнала прибавляется константа , которая должна удовлетворять условию
2
М
<С<R-2
М
,
n
-1
n
ϕ
ϕ
n
R
k
∈ [-2
, 2
]
n
S
n
-1
n
-1
где  - разрядность шины адреса,  - объем памяти FIFO 7. Данное условие обеспечивает формирование положительного адреса, поступающего на адресный вход памяти FIFO 7, и не выходящего за пределы адресного пространства при формировании в постоянном запоминающем устройстве 4 знакопеременных отсчетов гармонического сигнала  разрядностью  и старшим знаковым разрядом. На вход данных памяти FIFO 7 поступают отсчеты узкополосного квазишумового процесса, полученного путем фильтрации фильтром низких частот 2 отсчетов хаотического процесса с цифрового генератора случайных чисел 1. После заполнения памяти отсчетами квазишумового сигнала, за счет независимого адресного считывания по гармоническому закону, на выходе памяти FIFO 7 формируются отсчеты многочастотного квазишумового сигнала. Это достигается за счет эквивалентности задержки сигнала по времени сдвигу по фазе при фазовой модуляции.
Если представить узкополосный квазишумовой сигнал выражением
0
где  - комплексная амплитуда случайного процесса, ƒ - центральная частота, то многочастотный квазишумовой сигнал можно получить путем перемножения узкополосного процесса  и экспоненциальной функции :
M
F
J
(z)
n
n
F
ϕ
m
n
m
В данном выражении:  - индекс модуляции;  - частота модуляции;  - функция Бесселя первого порядка -го рода;  - целые числа. Оно описывает многочастотный квазишумовой сигнал, представляющий собой суммы парциальных квазишумовых радиоимпульсов, разнесенных по частоте на . Качественно амплитудно-частотный спектр сформированного сигнала представлен на фиг. 3. Используя аппарат комплексных амплитуд можно показать, что сдвиг по фазе узкополосного квазишумового процесса производится по закону:
ϕ(t)=2πƒ
t+M
sin(2πF
t).
0
ϕ
m
R
Δt
R
Δt
Если поставить в соответствие последовательности из  отсчетов узкополосного сигнала значение полной фазы 2π, то, при фиксированном шаге дискретизации , в цифровом устройстве возможно реализовать сдвиг мгновенной фазы с шагом 2π/, соответствующему сдвигу по времени на . Тогда задача однотональной фазовой модуляции сводится к считыванию из памяти отсчетов сигнала в соответствии с адресом, который формируется по закону:
Первое слагаемое реализуется в устройстве за счет постоянного сдвига отсчетов узкополосного хаоса в памяти FIFO 7. Законы модуляции фазы узкополосного хаоса фазы и изменения адреса считывания из памяти представлены на фиг. 2.
T
/2
Для формирования квадратурных составляющих при когерентном преобразовании частоты вверх служит фазовращатель 12 на величину π/2, вход которого соединенный с выходом низкочастотного фильтра 9, а выход соединен с входом балансного смесителя 11. Применение фазовращатель 12 возможно при формировании достаточно узкополосных сигналов. Полоса пропускания фильтра низких частот 9 не должна превышать значения ƒ, данный фильтр служит для сглаживания ступенчатой формы сигнала на выходе цифроаналогового преобразователя 8. Фазовращатель 16 служит для формирования ортогональных сигналов, поступающих на вторые входы балансных смесителей 10, 11 от опорного генератора 15. Высокочастотный многочастотный квазишумовой сигнал формируется в сумматоре 13, на входы которого поступают высокочастотные квадратурные составляющие сигнала с выходов балансных смесителей, выход которого является выходом устройства. Спектры сформированных сигналов на выходе дискретного фильтра низких частот 2, цифроаналогового преобразователя 8 и сумматора 13 показаны 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, осуществляющего формирование аналогового СВЧ-сигнала сигнала, предлагаемое устройство позволяет формировать многочастотный квазишумовой сигнал в диапазоне сверхвысоких частот. Это стало возможным путем включения перестраиваемого генератора псевдослучайной последовательности с цифровым фильтром низких частот, преобразователя кода, цифрового перемножителя, сумматора, двух фазовращателей, аналогового фильтра низких частот, быстродействующей памяти типа FIFO с независимой адресацией. При этом включение дополнительных элементов существенно не усложняет алгоритм работы предлагаемого устройства в целом, но позволяет формировать многочастотный квазишумовой сигнал.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет формировать многочастотные квазишумовые сигналы в диапазоне высоких частот 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. «Аналитическое описание метода формирования многочастотного квазишумового сигнала», сборник «Наукоемкие технологии», том 17 выпуск №12, стр. 17-21, Череповецкое ВВУ 2016 г., Зюзин А.В., Хайбутов М.Е., Кострыкин П.А., Войнов Д.С.
3. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 800 с.: ил.