УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННОГО СИГНАЛА С ПЛАВНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ФАЗЫ МЕЖДУ ЭЛЕМЕНТАРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ
DEVICE FOR FORMATION OF PHASOMAPULATED SIGNAL WITH SMOOTH CHANGE OF PHASE BETWEEN ELEMENTARY PULSES

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться в системах радиосвязи и радиолокации.
Технический результат - увеличение частоты на коротком интервале времени, меньшем длительности элементарного импульса, предшествующем моменту изменения фазы на 180°.
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, кл. H04L 27/20, 1973).
Известно также устройство для формирования фазоманипулированного (фазомодулированного) 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, кл. H04L 27/20, 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), имеющий 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, приводящей 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 предлагаемому является устройство формирования фазоманипулированных радиосигналов. (Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985. 384 с. - на с. 47, рис 3.11).
Структурная схема устройства прототипа представлена на фиг. 1, где обозначено:
1 - генератор синхроимпульсов (ГСИ);
2 - генератор одиночных импульсов (ГОИ);
3 - многоотводная линия задержки (МЛЗ);
4.1, 4.2, 4.3 - первый, второй и третий инверторы;
5 - сумматор;
6 - балансный модулятор;
7 - генератор несущей частоты (ГНЧ).
Известное устройство содержит последовательно соединенные ГОИ 2 и МЛЗ 3, первый, второй, третий и шестой выходы (отводы) которой соединены соответственно с первым, вторым, третьим и шестым входами сумматора 5, а четвертый, пятый и седьмой выходы МЛЗ 3 соединены соответственно через первый 4.1, второй 4.2 и третий 4.3 инверторы с четвертым, пятым и седьмым входами сумматора 5, выход которого подсоединен ко второму входу балансного модулятора 6, первый вход которого соединен с выходом ГНЧ 7, а выход является выходом устройства. При этом выход ГСИ подсоединен ко входу ГОИ 2.
Работает устройство-прототип следующим образом.
и
и
и
и
Генератор синхроимпульсов 1 вырабатывает последовательность коротких синхроимпульсов (с периодом формирования фазоманипулированных сигналов, равным длительности генерируемого фазоманипулированного сигнала Баркера Nτ, где τ - длительность элементарного прямоугольного импульса, N - число импульсов в кодовой последовательности). Число импульсов N кодовых последовательностей Баркера можно выбрать из таблицы (Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985. 384 с.). В нашем случае N=7. С выхода блока 1 узкие прямоугольные импульсы подаются на блок 2, который генерирует одиночные импульсы длительностью τ. Одиночные прямоугольные импульсы поступают на вход блока 3, который имеет для нашего случая семь выходов (отводов), расположенных через интервалы времени, равные τ. Кодовая последовательность Баркера с N=7 имеет вид 111-1-11-1. В этом случае импульсы с первого, второго, третьего и шестого выходов блока 3 поступают на первый, второй, третий и шестой входы блока 5 соответственно, а импульсы с четвертого, пятого и седьмого выходов соответственно через блоки 4.1, 4.2, 4.3, которые осуществляют изменение фазы на π (180°), то есть преобразуют положительные одиночные импульсы в отрицательные, поступают на четвертый, пятый и седьмой входы блока 5. На выходе блока 5 формируется видеосигнал Баркера, который поступает на второй вход блока 6, на первый вход которого подается радиочастотное колебание с выхода блока 7. Блок 6 осуществляет фазовую модуляцию радиочастотного колебания в соответствии с кодовой последовательностью Баркера.
и
Недостатком этого устройства является возникновение в формируемых фазоманипулированных радиосигналах ситуаций, когда из-за случайных флуктуаций частоты несущего колебания на временных интервалах, соответствующих длительности элементарных импульсов τ, не укладывается целое число периодов несущего колебания, что приводит к появлению в моменты скачкообразного изменения фазы в конце импульсов разрывности, наличие которой при обработке фазоманипулированного сигнала на приемной стороне приводит к существенным энергетическим потерям, достигающим 50% и более и, соответственно, к ухудшению характеристик обнаружения фазоманипулированного сигнала, точности измерения его параметров и уменьшению максимальной дальности действия радиотехнической системы при использовании таких сигналов.
Задачей изобретения является создание устройства, позволяющего формировать фазоманипулированные радиосигналы без разрывов между элементарными импульсами в точках изменения фазы на 180°.
Технический результат заключается в формировании фазоманипулированных радиосигналов с плавным изменением фазы между элементарными импульсами, достигаемым увеличением частоты на коротком интервале времени, меньшем длительности элементарного импульса, предшествующем моменту изменения фазы на 180°.
Технический результат достигается тем, что в устройство формирования фазоманипулированных радиосигналов, содержащее последовательно соединенные генератор синхросигналов, генератор одиночных импульсов, многоотводную линию задержки, первый, второй, третий и шестой выходы (отводы) которой соединены соответственно с первым, вторым, третьим и шестым входами сумматора, а четвертый, пятый и седьмой выходы многоотводной линии задержки соединены соответственно через первый, второй и третий инверторы с четвертым, пятым и седьмым входами сумматора, выход которого соединен со вторым входом балансного модулятора, выход которого является выходом устройства, а первый вход балансного модулятора подсоединен к выходу генератора несущей частоты, согласно изобретению в устройство введены генератор треугольных импульсов, вход которого подсоединен к выходу сумматора, а выход подсоединен к управляющему входу управляемого генератора высокочастотного напряжения, выход которого является выходом устройства, а выход генератора синхросигналов подсоединен через линию задержки со входами многоотводной линией задержки, третий, пятый и шестой выходы (отводы) которой соединены с третьим, пятым и шестым входами сумматора.
Введение линии задержки позволяет задерживать синхроимпульс в пределах временного интервала, равного длительности элементарного импульса формируемого фазоманипулированного радиосигнала, и определять временной интервал, отводимый для плавного изменения фазы, достигающего 180° на границе двух элементарных импульсов, определяемый положением задержанного синхроимпульса относительно момента окончания элементарного импульса.
Подключение третьего, пятого и шестого выходов многоотводной линии задержки соответственно к третьему, пятому и шестому входам сумматора позволяет получить на его выходе три задержанных синхроимпульса, определяющих начала временных интервалов плавного изменения фаз для достижения поворота фаз на 180° на границах третьего и четвертого, пятого и шестого, и шестого и седьмого элементарных импульсов для формирования фазоманипулированного радиосигнала Баркера с N=7.
Введение в устройство генератора треугольных импульсов обеспечивает получение треугольных импульсов на временных интервалах, отведенных для плавного изменения фазы на 180°, на границе третьего и четвертого, пятого и шестого, шестого и седьмого импульсов, подаваемых в цепь управления управляемого генератора высокочастотного напряжения.
Введение управляемого генератора высокочастотного напряжения позволяет управлять изменением частоты генерируемого напряжения на выделенных временных интервалах, обеспечивающим плавное изменение фазы на 180°, на границах третьего и четвертого, пятого и шестого, шестого и седьмого импульсов путем изменения емкости варикапа, включенного в колебательный контур генератора под действием треугольных импульсов напряжения.
На фиг. 2 представлена функциональная схема предлагаемого устройства, где обозначено:
1 - генератор синхроимпульсов (ГСИ);
2 - линия задержки;
3 - многоотводная линия задержки;
4 - сумматор;
5 - генератор треугольных импульсов;
6 - управляемый генератор высокочастотного напряжения.
На фиг. 3 представлено пояснение работы предлагаемого устройства. Фиг. 3а - короткие синхроимпульсы, генерируемые ГСИ; фиг. 3б - задержанный линией задержки синхроимпульс; фиг. 3в - последовательность коротких импульсов на выходе сумматора; фиг. 3г - треугольные импульсы на выходе генератора треугольных импульсов; фиг. 3д - фазоманипулированный сигнал с плавным изменением фазы между третьим и четвертым, пятым и шестым, шестым и седьмым элементарными импульсами; фиг. 3е - идеальный фазоманипулированный сигнал с отсутствием разрывности в моменты изменения фазы.
На фиг. 4 представлена цепь питания управляемого элемента в колебательном контуре управляемого генератора высокочастотного напряжения - варикапа.
тр
На фиг. 5 - представлена зависимость изменения емкости варикапа от управляющего напряжения U.
Предлагаемое устройство содержит генератор синхроимпульсов 1, выход которого через линию задержки 2 подсоединен к многоотводной линии задержки 3, третий, пятый и шестой выходы (отводы) которой подсоединены соответственно к третьему, пятому и шестому входам сумматора 4, выход которого подсоединен ко входу генератора треугольных импульсов 5, выход которого подсоединен к управляющему входу управляемого генератора высокочастотного напряжения 6, выход которого является выходом устройства.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
и
и
и
и
и
и
и
и
и
и
и
и
Генератор синхроимпульсов 1 вырабатывает короткие импульсы с периодом Т формирования фазоманипулированных сигналов Баркера (фиг. 3а), содержащего N импульсов длительностью τ (T=Nτ). Число N кодовых последовательностей Баркера можно выбрать из таблицы 3.2 с. 45 (Варакин Л.E. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985. 384 с.). В нашем случае N=7 (T=7τ). С выхода блока 1 короткие прямоугольные импульсы поступают на вход блока 2 (линии задержки), которая осуществляет задержку импульса на τ-Δτ, где Δτ=0,1÷0,25τ - временной интерваля. отводимый для плавного изменения фазы импульса (фиг. 3б). С выхода блока 2 задержанный короткий прямоугольный импульс поступает на вход блока 3 (многоотводной линии задержки), который для нашего случая имеет семь выходов (отводов), расположенных через интервалы времени τ. Кодовая последовательность Баркера с N=7 имеет вид 111-1-11-1. 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 (фиг. 3в), которые подаются на вход блока 5, в котором формируются треугольные импульсы с длительностью Δτ (фиг. 3г). Реализуемость треугольных импульсов возможна, например, на операционном усилителе (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: пер. с англ. / под ред. М.В. Гальперина. 3-е изд. М.: Мир, 1986. 584 с.). Треугольные импульсы длительностью Δτ (фиг. 3г) поступают на управляющий вход управляемого генератора высокочастотного напряжения 6, в цепь питания варикапа (управляемого элемента в контуре генератора высокочастотного напряжения) (фиг. 4), на интервалах 3τ-Δτ<t<3τ, 5τ-Δτ<t<5τ и 6τ-Δτ<t<6τ (фиг. 3г). При отсутствия треугольных импульсов напряжения на управляющем входе управляемого высокочастотного генератора напряжения частота генерируемого напряжения генератором высокочастотного напряжения
,
k
k
0
0
1
и
m
и
и
и
где L и c - индуктивность и емкость контура генератора высокочастотного напряжения, c - емкость варикапа (управляемого элемента в колебательном контуре генератора) при отсутствии на управляющем входе треугольных импульсов (фиг. 5). При поступлении на управляющий вход генератора высокочастотного напряжения треугольного импульса емкость варикапа уменьшается с c до c, что вызывает увеличение частоты генерируемого напряжения  от  до  на интервале от τ-Δτ до , F - максимальное отклонение частоты генерируемого напряжения от несущей частоты  в момент времени . Затем на интервале от  до τ частота изменяется от  до . Тогда набег фазы на интервале от τ-Δτ до τ за счет изменения частоты должен достигать на границе двух элементарных импульсов π (180°).
.
Напряжение фазоманипулированного сигнала Баркера с N=7 на выходе управляемого генератора высокочастотного напряжения принимает вид фиг. 3д. Для сравнения на фиг. 3е. показан идеальный фазоманипулированный сигнал с отсутствием разрывности в моменты изменения фазы (Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985. 384 с.), с 47, рис 3.12.
m
Покажем связь F с Δτ.
и
и
Зависимость изменения емкости варикапа от прилагаемого напряжения за интервале от τ-Δτ до τ при поступлении треугольного импульса (фиг. 5)
.
Тогда частота генерируемого напряжения изменяется на этом интервале по закону
,
0
1
где Δc=с-с.
и
и
Так как , то на интервале τ-Δτ<t<τ
,
где  - максимальное отклонение частоты от  в момент времени .
В этом случае набег фазы на интервале Δτ за счет изменения частоты
m
Δϕ=2πFΔτ.
Следовательно  - максимальное отклонение частоты генерируемого напряжения от несущей частоты  определяется величиной обратной длительности интервала отводимого на плавное изменение фазы.
Введение в устройство блоков 2, 5 и 6 позволяет сформировать фазоманипулированный сигнал Баркера для N=7 с плавным изменением фазы на интервале Δτ между третьим и четвертым импульсами, пятым и шестым, шестым и седьмым импульсами, при обработке которого на приемной стороне 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 системах // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2015. Вып. 2. С. 51-54).
Предлагаемое устройство может найти применение в качестве генератора фазоманипулированных радиосигналов в системах связи и радиолокации.