УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННОГО СИГНАЛА С ПЛАВНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ФАЗЫ МЕЖДУ ЭЛЕМЕНТАРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ
DEVICE FOR GENERATING A PHASE-SHIFTED SIGNAL WITH SMOOTH PHASE CHANGE BETWEEN ELEMENTARY PULSES

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к многоканальным системам связи с фазомодулированной несущей, и может использоваться в системах радиосвязи и радиолокации.
Известно устройство для формирования фазоманипулированного (фазомодулированного) сигнала содержащее полосовой фильтр, генератор манипулирующих импульсов и последовательно соединенные генератор несущей частоты и формирователь импульсов (Авторское свидетельство СССР №492045, МПК H04L 27/20, опубл. 15.11.1973).
Известно также устройство для формирования фазоманипулированного сигнала, содержащее полосовой фильтр, генератор манипулирующих импульсов и последовательно соединенные генератор несущей частоты, формирователь импульсов, блок управления, последовательно соединенные генератор несущей частоты, формирователь импульсов, блок управления, последовательно соединенные генератор пилообразного напряжения, сумматор, пороговый блок и одновибратор, выход которого подключен к входу полосового фильтра, при этом выход генератора манипулирующих импульсов через блок управления соединен с вторым входом сумматора, на третий вход последовательно подан регулируемый постоянный сигнал, а выход формирователя импульсов подключен к входу генератора пилообразного напряжения (Авторское свидетельство СССР №628632, МПК H04L 27/20, опубл. 15.10.1978).
Известно устройство формирования фазоманипулированного радиосигнала, содержащее два генератора с разными начальными фазами, подключенные к разным входам ключевого устройства, к управляющему входу которого подключен генератор псевдослучайной последовательности (ПСП), имеющего один выход, являющийся выходом устройства. (Васильев К.К., Глушков В.А., Дормидонтов А.В., Нестеренко А.Г. Теория электрической связи: учебное пособие / под ред. К.К. Васильева. Ульяновск.: Ул. ГТУ, 2008. 452 с.)
Известно также устройство, содержащее генератор высокой частоты, подключенный к фазовому манипулятору, к управляющему входу которого подключен генератор ПСП, а выход которого является выходом устройства (Шахгильдян В.В, Козырев В.Б., Ляховкин А.А. Радиопередающие устройства: Учебник для вузов / под ред. В.В. Шахгельдяна. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 2003. 560 с).
Недостатком известных устройств является появление в формируемых фазоманипулированных сигналах разрывности в моменты скачкообразного изменения фазы, при модуляции несущего колебания модулирующей последовательностью прямоугольных импульсов, приводящие при приеме таких сигналов к энергетическим потерям и, следовательно, к ухудшению их коэффициентов сжатия, уменьшению отношений сигнал/шум, влекущих уменьшение вероятности правильного обнаружения, точности измерения параметров сигналов и снижению максимальной дальности действия систем радиолокации и связи (Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы: Теория и применение: М.: Сов. радио, 1971. 568 с. - 262 с; Нахмансон Г.С., Суслин А.В. Влияние энергетических потерь при обработке фазоманипулированных сигналов на максимальную дальность действия и точность измерения координат в радиолокационных системах // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2015. Вып. 2. С. 51-54.).
Наиболее близким по технической сущности к предполагаемому является устройство формирования фазоманипулированного семисегментным кодом Баркера сигнала с плавным изменением фазы между элементарными импульсами (патент РФ 2631899, МПК H04L 27/18, опубл. 29.09.2017), содержащее генератор синхроимпульсов, линию задержки на длительность, меньшую длительности элементарного импульса, многоотводную линию задержки, сумматор, генератор треугольных импульсов, высокочастотный LC-генератор, причем выход генератора синхроимпульсов соединен со входом линии задержки, выход которой подсоединен ко входу многоотводной линии задержки, третий, пятый и шестой выходы которой подсоединены соответственно к третьему, пятому и шестому входам сумматора, выход которого подсоединен ко входу генератора треугольных импульсов, подсоединенного выходом к управляющему входу, при наличии на нем постоянного напряжения смещения, высокочастотного LC-генератора, выход которого является и выходом устройства.
и
с
и
и
и
и
Работает устройство прототипа следующим образом. Генератор синхроимпульсов (ГСИ) 1 вырабатывает короткие импульсы с периодом Т формирования фазоманипулированных сигналов Баркера, содержащего семь импульсов длительностью τ (Т=7τ). С выхода блока 1 короткие прямоугольные импульсы поступают на вход блока 2 (линии задержки (ЛЗ)), которая осуществляет задержку импульса на τ-Δτ, где Δτ=0,1÷0,25τ - временный интервал отводимый для плавного изменения фазы импульса. С выхода блока 2 задержанный короткий прямоугольный импульс поступает на вход блока 3 (многоотводной линии задержки (МЛЗ)), которая имеет семь выходов (отводов), расположенных через интервалы времени τ. Кодовая последовательность Баркера с N=7 имеет вид 1, 1, 1, -1, -1, 1, -1. Изменение фазы происходит в конце третьего, пятого, и шестого импульсов. Поэтому в нашем случае импульсы с третьего, пятого и шестого выводов блока 3 поступают соответственно на третий, пятый, и шестой входы блока 4. На выходе блока 4 формируется последовательность коротких импульсов, которые подаются на вход блока 5, в котором формируются треугольные импульсы с длительностью Δτ. Треугольные импульсы длительностью Δτ поступают на управляющий вход высокочастотного LC-генератора напряжения 6, в цепь питания варикапа (управляемого элемента в контуре управляемого высокочастотного LC-генератора). При отсутствии треугольных импульсов напряжения на управляющем входе управляемого высокочастотного LC-генератора частота генерируемого напряжения определяется индуктивностью и емкостью контура генератора. При поступлении на управляющий вход высокочастотного LC-генератора треугольного импульса емкость варикапа уменьшается, что вызывает увеличение частоты генерируемого напряжения на интервале, определяемом длительностью треугольного импульса, и, соответственно, набег фазы на π.
Напряжение на выходе высокочастотного LC-генератора представляет фазоманипулированный 7-сегментным кодом Баркера сигнал с плавным изменением фазы между элементарными импульсами.
Недостатком этого устройства является генерация только фазоманипулированного 7-сегментным кодом Баркера сигнала. На практике наиболее часто используется фазоманипулированный 13 сегментным кодом Баркера сигнал. Кроме того, при приеме фазоманипулированных сигналов, генерируемых устройством - прототипом, на выходе согласованного фильтра приемника помимо главного лепестка сигнала имеются боковые лепестки, амплитуды которых могут достигать 0,5 амплитуды главного лепестка. Это приводит к ухудшению характеристик обнаружения фазоманипулированного сигнала, точности измерения координат цели в условиях помех и уменьшению максимальной дальности действия радиотехнической системы при использовании таких сигналов.
Задачей изобретения является создание устройства, позволяющего формировать фазоманипулированные 13-сегментным кодом Баркера радиосигналы с плавным изменением фазы между элементарными импульсами, для которых отклики согласованных фильтров на приемной стороне при приеме генерируемых сигналов не имеют боковых лепестков с большой амплитудой.
Технический результат заключается в формировании фазоманипулированного 13 сегментным кодом Баркера радиосигнала с плавным изменением фазы на 180° между элементарными импульсами и в управлении длительностью работы высокочастотного генератора, так что отклик на генерируемый сигнал согласованного фильтра имеет боковые лепестки с амплитудами порядка 1/13 амплитуды главного лепестка.
Технический результат достигается тем, что в устройстве формирования фазоманипулированного сигнала, содержащем последовательно соединенные генератор синхроимпульсов, линию задержки на длительность, меньшую длительности элементарного импульса, многоотводную линию задержки, третий, пятой и шестой выводы которой подсоединены соответственно к третьему, пятому и шестому входам сумматора, выход которого подсоединен ко входу генератора треугольных импульсов, подсоединенного выходом к управляющему входу при наличии на нем постоянного смещения высокочастотного LC-генератора, выход которого является и выходом устройства, согласно изобретению, выходы многоотводной линии задержки пятый, седьмой, девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый подсоединены соответственно к пятому, седьмому, девятому, десятому, одиннадцатому и двенадцатому входам сумматора, а также дополнительно введен асинхронный RS триггер, информационные входы S и R которого подключены соответственно к выходу генератора синхроимпульсов и к 13-му выводу многоотводной линии задержки, а его выход ко второму управляющему входу высокочастотного LC генератора, выход которого является выходом устройства.
и
и
и
и
и
и
Кодовая последовательность Баркера с N=13 имеет вид 1, 1, 1, 1, 1, -1, -1, 1, 1, -1, 1, -1, 1. Изменение фазы происходит в конце пятого, седьмого, девятого, десятого, одиннадцатого, двенадцатого импульсов. Подключение выводов многоотводной линии задержки: пятого с задержкой 5τ-Δτ, седьмого с задержкой 7τ-Δτ, девятого с задержкой 9τ-Δτ, десятого с задержкой 10τ-Δτ, одиннадцатого с задержкой 11τ-Δτ, двенадцатого с задержкой 12τ-Δτ, соединительно соответственно с пятым, седьмым, девятым, десятым, одиннадцатым, двенадцатым входами сумматора позволяют получить на его выходе шесть задержанных синхроимпульсов, определяющих начала временных интервалов плавного изменения фаз для достижения поворота фаз на 180° на границах пятого и шестого, седьмого и восьмого, девятого и десятого, десятого и одиннадцатого, одиннадцатого и двенадцатого, двенадцатого и тринадцатого элементарных импульсов для формирования фазоманипулированного 13-сегментным кодом Баркера сигнала.
Введение синхронного RS триггера, подключенного информационными входами S и R соответственно к выходу генератора синхроимпульсов и 13 выводу многоотводной линии задержки, а выходом ко второму управляющему входу высокочастотного LC-генератора, позволяет управлять временем работы последнего, то есть длительностью генерируемого сигнала, превышающей длительность элементарного импульса в 13 раз.
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства-прототипа.
На фиг. 2 представлена функциональная схема предлагаемого устройства.
На фиг. 3 представлено пояснение работы предлагаемого устройства, (а) короткие синхроимпульсы, генерируемые ГСИ; (б) задержанный ЛЗ синхроимпульс; (в) последовательность коротких импульсов на выходе пятого, седьмого, десятого, одиннадцатого, двенадцатого выводов МЛЗ и соответственно сумматора; (г) сигнал на выходе асинхронного RS - триггера; (д) треугольные импульсы на выходе генератора треугольных импульсов; (е) фазоманипулированный 13-сегментным кодом Баркера сигнал с плавным изменением фазы между пятым и шестым, седьмым и восьмым, девятым и десятым, десятым и одиннадцатым, одиннадцатым и двенадцатым, двенадцатым и тринадцатым элементарными импульсами.
На фиг. 4 представлена цепь питания управляемого элемента в колебательном контуре высокочастотного LC-генератора - варикапа, а на фиг. 5 - представлена зависимость изменения емкости варикапа от управляющего напряжения.
0
На фиг. 6 показано формирование выходного сигнала согласованного фильтра (на видеочастоте) при отсутствии управления временем работы высокочастотного LC-генератора: (а) показан момент появление синхроимпульса; (б) сигнал, формируемый высокочастотным LC -генератором с амплитудой U; (в) выходной сигнал согласованного фильтра при воздействии фазоманипулированного 13-сегментным кодом Баркера сигнала без управления включением высокочастотного генератора.
и
и
0
На фиг. 7 показано формирование выходного сигнала согласованного фильтра (на видеочастоте) при наличии управления временем работы высокочастотного LC-генератора: (а) показан момент появления синхроимпульса; (б) момент появления импульса на выходе (13) МЛЗ (t=13τ); (в) сигнал на выходе асинхронного RS - триггера (τ=13τ); (г) - сигнал, формируемый высокочастотным LC-генератором с амплитудой V; (д) выходной сигнал согласованного фильтра при воздействии фазоманипулированного 13-сегментным кодом Баркера сигнала.
Предлагаемое устройство содержит генератор синхроимпульсов 7, выход которого подсоединен к управляющему входу S асинхронного RS триггера 8 и через линию задержки 9 ко входу многоотводной линии задержки 10, вывод (13) которой подключен ко входу R асинхронного RS триггера 8, а выводы пятый, седьмой, девятый, десятый, одиннадцатый, двенадцатый соответственно к пятому седьмому, девятому, десятому, одиннадцатому, двенадцатому входам сумматора 11, выход которого подсоединен ко входу генератора треугольных импульсов 12, выход которого подключен к управляющему входу высокочастотного LC-генератора 13, второй управляющий вход которого подключен к выходу асинхронного RS триггера 8, а выход является выходом всего устройства.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
с
и
и
и
и
и
и
и
и
и
и
и
и
и
и
и
и
0
0
Генератор синхроимпульсов 7 вырабатывает короткие импульсы с периодом (Т=13τ) формирования фазоманипулированных сигналов Баркера (фиг. 3а), содержащего N=13 импульсов длительностью τ. С выхода блока 7 короткие прямоугольные импульсы поступают на вход блока 9 (линии задержки), которая осуществляет задержку импульса на (τ-Δτ), где Δτ - временной интервал, отводимый для плавного изменения фазы импульса (фиг. 3б), и на информационный вход S асинхронного RS триггера 8, на выходе которого появляется высокий уровень напряжения, включающий высокочастотный LC-генератор 13 (фиг. 3г). С выхода блока 9 задержанный короткий прямоугольный импульс поступает на вход блока 10 (многоотводной линии задержки), которая для нашего случая имеет тринадцать выходов (отводов), расположенных через интервалы времени τ. Кодовая последовательность Баркера с N=13 имеет вид (1, 1, 1, 1, 1, -1, -1, 1, 1, -1, 1, -1, 1). Изменение фазы происходит в конце пятого, седьмого, девятого, десятого, одиннадцатого, двенадцатого импульсов. Поэтому в нашем случае импульсы с пятого, седьмого, девятого, десятого, одиннадцатого и двенадцатого выводов блока 10 поступают соответственно на пятый, седьмой, девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый входы блока 11. На выходе блока 11 формируется последовательность коротких импульсов (фиг. 3в), которые подаются на вход блока 12, в котором формируются треугольные импульсы с длительностью Δτ (фиг. 3д). Треугольные импульсы с длительностью Δτ поступают на управляющий вход управляемого высокочастотного генератора 13, в цепь питания варикапа (управляемого элемента в контуре высокочастотного LC-генератора) (фиг. 4), на интервалах 5τ-Δτ<t<5τ, 7τ-Δτ<t<7τ, 9τ-Δτ<t<9τ, 10τ-Δτ<t<10τ, 11τ-Δτ<t<11τ, 12τ-Δτ<t<12τ (фиг. 3д). При отсутствии треугольных импульсов напряжения на управляющем входе управляемого высокочастотного LC-генератора присутствует постоянное напряжение смещения U, определяющее емкость варикапа С и, соответственно, частоту генерируемого напряжения:
k
k
0
0
1
0
0
m
и
0
и
0
m
0
и
и
где L и c - индуктивность и емкость контура высокочастотного LC-генератора, с - емкость варикапа (управляемого элемента в колебательном контуре генератора) при отсутствии на управляющем ходе треугольных импульсов (фиг. 5). При поступлении на управляющий вход высокочастотного LC-генератора треугольного импульса напряжения емкость варикапа уменьшается с с до c, что вызывает увеличение частоты генерируемого напряжения f(t) от f до f+F на интервале от τ-Δτ до ,  - максимальное отклонение частоты генерируемого напряжения от несущей частоты f в момент времени . Затем на интервале от до τ частота изменяется от f+F до f. Тогда набег фазы на интервале от τ-Δτ до τ за счет изменения частоты достигает на границе двух элементарных импульсов π (180°). Напряжение фазоманипулированного сигнала Баркера с N=13 с отсутствием разрывности в моменты изменения фазы на выходе управляемого генератора высокочастотного напряжения принимает вид, приведенный на фиг. 3е.
При поступлении импульса с вывода (13) многоотводной линии задержки 10 на информационный вход R асинхронного RS триггера напряжение на выходе триггера становится равным нулю (фиг. 3) и высокочастотный генератор выключается.
Генерируемый высокочастотным генератором сигнал поступает на приемной стороне на согласованный фильтр, предназначенный для приема сигнала, фазоманипулированного тринадцатиэлементным кодом Баркера (N=13).
и
0
На фиг. 6 показано формирование выходного сигнала согласованного фильтра (на видеочастоте) при отсутствии управления длительностью работы высокочастотного генератора в момент появления синхроимпульса (t=3τ); сигнал, формируемый высокочастотным генератором с амплитудой U показан на фиг 6б; выходной сигнал согласованного фильтра при наличии во входном воздействии фазоманипулированного сигнала, генерируемого высокочастотным LC-генератором без управления длительностью его работы показан на фиг. 6в.
и
и
и
0
На фиг. 7 показано формирование выходного сигнала согласованного фильтра (на видеочастоте) при управлении длительностью работы высокочастотного генератора. На фиг. 7а показан момент появления синхроимпульса (t=3τ); на фиг. 7б показан момент появления импульса на (13) выходе МЛЗ (t=13τ); сигнал на выходе асинхронного RS-триггера (τ=13τ) показан на фиг. 7в, сигнал, формируемый высокочастотным генератором с амплитудой U, показан на фиг. 7г и выходной сигнал согласованного фильтра при наличии во входном воздействии фазоманипулированного сигнала, генерируемого высокочастотным LC -генератором с управлением длительностью его работы показан на фиг. 7д.
Заштрихованные области импульсов, соответствуют интервалам, на которых осуществляется плавный поворот фазы на 180°.
Из диаграмм на фиг. 6 и 7 видно, что при управлении длительностью работы генератора у выходного сигнала согласованного фильтра резко уменьшился уровень боковых лепестков (в 5 раз).
Введение в устройство блока 8 и подключение пятого, седьмого, девятого, десятого, одиннадцатого и двенадцатого выводов блока 10 многоотводной линии задержки соответственно к пятому, седьмому, девятому, десятому, одиннадцатому и двенадцатому входам сумматора 11 позволяет сформировать фазоманипулированный тринадцатисегментным кодом Баркера сигнал с плавным изменением фазы на интервалах Δτ между пятым и шестым, седьмым и восьмым, девятым и десятым, десятым и одиннадцатым, одиннадцатым и двенадцатым, двенадцатым и тринадцатым импульсами, при обработке которого на приемной стороне уровень боковых лепестков выходного сигнала согласованного фильтра не превышает  от его максимальной величины, а энергетические потери не превышают 6% [Нахмансон Г.С, Суслин А.В. Влияние энергетических потерь при обработке фазоманипулированных сигналов на максимальную дальность действия и точность измерения координат в радиолокационных система // Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2015. вып. 2. с. 51-54].
Предлагаемое устройство может найти применение в качестве генератора фазоманипулированных радиосигналов в системах связи п радиолокации.