АДАПТИВНОЕ ПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ С ЦЕПЬЮ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ

Предлагаемое приемное устройство относится к области радиотехники и может быть использовано в разнесенных радиолокационных системах.
Известен способ и аппаратура пассивной радиолокации и пассивного обнаружения [1]. Основными элементами приемной аппаратуры являются приемное устройство, содержащее антенну, усилитель, детектор, а также стробирующее устройство, схему управления стробирующим приемным устройством, схему развертки дальности и индикатор. Приемная аппаратура осуществляет прием импульсов, излучаемых радиолокатором, которые используются для синхронизации развертки дальности, а также принимает импульсы, отраженные от целей, которые поступают на схему развертки дальности и отображаются на индикаторе.
Недостаток данного устройства заключается в том, что при использовании в качестве активного средства радиолокатора, излучающего частотно-модулированные радиоимпульсы с различными параметрами частотной модуляции, не обеспечивается согласованный прием прямых и отраженных от целей сигналов, вследствие чего уменьшается отношение сигнал-шум на выходе устройства по сравнению с согласованным приемом, а следовательно уменьшается и дальность обнаружения целей.
Известен также бистатический пассивный радиолокатор [2], основными элементами которого являются направленная антенна, принимающая импульсы от передатчика противника, всенаправленная антенна, которая принимает отраженные импульсы от целей, облучаемых передатчиком противника, индикатор кругового обзора, линейные развертки дальности которого формируются свипгенератором, схема коррекции дальности. Недостаток данного устройства, как и предыдущего, заключается в уменьшении отношения сигнал-шум на его выходе при приеме отраженных от целей частотно-модулированных сигналов из-за несогласованной обработки последних.
Из известных приемных устройств радиолокационных сигналов наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является адаптивное приемное устройство [3].
Недостаток этого устройства заключается в том, что при приеме частотно-модулированных сигналов с различной начальной частотой уменьшается отношение сигнал-шум на выходе приемного устройства по сравнению с согласованным приемом.
Целью полезной модели является повышение отношения сигнал-шум на выходе приемного устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в адаптивное приемное устройство, дополнительно введена цепь автоподстройки частоты, содержащая первое формирующее устройство 22, цифровой частотный детектор 24, на второй вход которого подключено второе формирующее устройство 23, ключ 25 ко второму входу которого подключен мультивибратор 28, реверсивный счетчик 26 и второй ЦАП 27.
Введение в известное устройство указанных элементов позволит принять зондирующий сигнал от излучающей РЛС, подстроить под него частотно-модулированный гетеродин в случае растройки по начальной частоте и крутизне, а также осуществить подстройку частотно-модулированного гетеродина непосредственно под отраженный от цели сигнал и тем самым увеличить отношение сигнал-шум на выходе приемного устройства за счет согласованной обработки отраженного от цели сигнала.
Структурная схема предлагаемого адаптивного приемного устройства с цепью автоподстройки частоты приведена на фиг. 1, графики поясняющие работу на фиг. 2.
Устройство содержит первую антенну 1, первый преселектор 2, первый смеситель 3, спектроанализатор 4, управляемый частотно-модулированный гетеродин 5, вторую антенну 6, второй преселектор 7, второй смеситель 8, второй фазовый детектор 9, опорный генератор 10, второй АЦП 11, ОЗУ 12, цифровой коммутатор 13, первый ЦАП 14, блок управления частотно-модулированным гетеродином 15, детектор 16, видеоусилитель 17, генератор тактовых импульсов 18, первый фазовый детектор 19, первый АЦП 20, цифровой сумматор 21, первое формирующее устройство 22, второе формирующее устройство 23, цифровой частотный детектор 24, ключ 25, реверсивный счетчик 26, второй цифро-аналоговый преобразователь 27, ждущий мультивибратор 28.
При этом в устройстве последовательно соединены первая антенна 1, первый преселектор 2, первый смеситель 3, и спектроанализатор 4, также последовательно соединены вторая антенна 6, второй преселектор 7, второй смеситель 8 и второй фазовый детектор 9, второй вход которого соединен с выходом опорного генератора 10, последовательно соединены второй АЦП 11, ОЗУ 12, цифровой сумматор 21, цифровой коммутатор 13, ЦАП 14, блок управления частотно-модулированным гетеродином 15 и управляемый частотно-модулированный гетеродин 5, выход которого соединен со вторыми входами первого 3 и второго 8 смесителей, а вход второго АЦП 11 соединен с выходом второго фазового детектора 9, кроме того выход второго АЦП 11 соединен с вторым входом цифрового коммутатора 13, также последовательно соединены первый фазовый детектор 19, первый вход которого подключен к выходу первого смесителя 3, а второй вход - с выходом опорного генератора 10, и первый АЦП 20, выход которого соединен со вторым входом цифрового сумматора 21, а также последовательно соединены детектор 16, видеоусилитель 17 и генератор тактовых импульсов 18, выход которого соединен со вторым входом второго АЦП 11, вторым входом ОЗУ 12, третьим входом цифрового сумматора 21, вторым входом первого АЦП 20 и вторым входом первого ЦАП 14, а выход видеоусилителя 17, также соединен с третьим входом ОЗУ 12, третьим входом цифрового коммутатора 13 и вторым входом блока управления частотно-модулированным гетеродином 15, вход детектора 16 соединен с выходом второго преселектора 7 с которым последовательно соединено первое формирующее устройство 22, цифровой частотный детектор 24, на второй вход которого подключено второе формирующее устройство 23, кроме того выход цифрового частотного детектора 24 соединен с ключом 25, ко второму входу которого подключен мультивибратор 28, так же ключ 25 последовательно соединен с реверсивным счетчиком 26, вторым ЦАП 27, блоком управления ЧМ гетеродина 15.
РАБОТА УСТРОЙСТВА
Управляемый частотно-модулированный гетеродин 5 ориентировочно настроен в соответствии с параметрами ожидаемого сигнала (фиг. 2б). Зондирующий частотно-модулированный радиоимпульс принятый второй антенной 6 канала прямого сигнала (фиг. 2а) через второй преселектор 7 поступает на первый вход второго смесителя 8, на вход детектора 16 и на вход первого формирующего устройства 22, которое преобразует принятый аналоговый сигнал в цифровой и передает его на первый вход цифрового частотного детектора 24. С выхода детектора 16 детектированный импульс через видеоусилитель 17, который усиливает его по амплитуде и нормирует, поступает на вход ждущего мультивибратора, а так же на второй вход блока управления частотно-модулированным гетеродином 15 и запускает его. В результате этого на второй вход второго смесителя 8 и на вход второго формирующего устройства 23 поступает опорный сигнал с управляемого частотно-модулированного гетеродина 5. Второе формирующее устройство 23 преобразует аналоговый сигнал в цифровой и передает на второй вход цифрового частотного детектора 24. Цифровой частотный детектор 24 сравнивает два принятых сигнала и реагирует на изменение фазы, равное 2π, т.е. работает только тогда, когда система фазовой автоподстройки частоты находится в асинхронном режиме.
Ждущий мультивибратор 28 формирует видеоимпульс, открывающий ключ 25 на время его действия. Длительность импульса определяет время, необходимое и достаточное для измерения разности начальной частоты принятого ЛЧМ сигнала и начальной частоты сигнала управляемого ЧМ гетеродина 5. Если начальная частота сигнала не совпадает с ожидаемым значением, то на выходе цифрового частотного детектора 24 появляются импульсы количество которых пропорционально разности начальной частоты входного сигнала и сигнала ЛЧМ гетеродина. Реверсивный счетчик 26 подсчитывает импульсы с выхода цифрового частотного детектора 24. Код реверсивного счетчика 26 будет либо уменьшаться, либо увеличиваться. На выходе второго цифро-аналогового преобразователя 27 появится напряжение (фиг. 2в), воздействующее на управляемый ЧМ гетеродин 5 и уменьшающее частотное рассогласование между принимаемым и опорным сигналом. По окончании импульса реверсивный счетчик 26 останавливается, и начальная частота запоминается до прихода следующего прямого импульса. При равенстве начальной частоты сигнала ожидаемому значению, задаваемому управляемым ЧМ гетеродином 5, управляющий сигнал на выходе второго цифро-аналогового преобразователя 27 будет отсутствовать.
Демодулированный сигнал с выхода второго смесителя 8 (фиг. 2г) поступает на первый вход фазового детектора 9, на второй вход которого с генератора опорного напряжения 10 поступает сигнал постоянной частоты. С выхода фазового детектора 9 напряжение сигнала ошибки  (фиг. 2д) пропорциональное величине остаточной частотной модуляции демодулированного радиоимпульса через цифровую обратную связь - второй АЦП 11, цифровой коммутатор 13, ЦАП 14, поступает на блок управления частотно-модулированным гетеродином 15. В результате этого управляемый частотно-модулированный гетеродин 5 подстраивается под принимаемый сигнал (фиг. 2б) и полностью его демодулирует.
Кроме того, напряжение сигнала ошибки  в цифровой форме записывается в ОЗУ 12.
Принятый первой антенной 1 отраженный от цели частотно-модулированный радиоимпульс (фиг. 2е) через первый преселектор 2 поступает на первый вход первого смесителя 3, на второй вход которого с управляемого частотно-модулированного гетеродина 5 подается опорный частотно-модулированный сигнал (фиг. 2б). С выхода первого смесителя 3 демодулированный отраженный от цели радиоимпульс (фиг. 2ж) поступает на спектроанализатор 4, а также на первый вход первого фазового детектора 19 на второй вход которого с генератора опорного напряжения 10 поступает сигнал постоянной частоты. С выхода первого фазового детектора 19 напряжение сигнала ошибки  (фиг. 2з) пропорциональное величине остаточной частотной модуляции демодулированного отраженного от цели радиоимпульса через вторую петлю цифровой обратной связи - первый АЦП 20, цифровой сумматор 21, где суммируется с напряжением сигнала ошибки  записанным в ОЗУ 12, цифровой коммутатор 13, ЦАП 14 поступает на блок управления частотно-модулированным гетеродином 15, в результате чего управляемый частотно-модулированный гетеродин 5 подстраивается непосредственно под отраженный от цели сигнал и полностью его демодулирует.
Импульсы с выхода детектора 16 усиливаются по амплитуде и нормируются видеоусилителем 17, и в качестве управляющих импульсов поступают на третий вход ОЗУ 12 (определяют режим записи или считывания), на третий вход цифрового коммутатора 13 (определяют откуда поступает сигнал ошибки с АЦП 11 или с цифрового сумматора 21), а также в качестве синхронизирующих импульсов поступают на второй вход блока управления частотно-модулированным гетеродином 15, и на вход генератора тактовых импульсов 18, синхронизирующегося по фронту импульса, с выхода которого тактовые импульсы поступают на второй вход второго АЦП 11, второй вход ОЗУ 12, третий вход цифрового коммутатора 21, второй вход первого АЦП 20 и второй вход первого ЦАП 14 для обеспечения синхронной работы этих устройств.
Предлагаемое устройство позволяет осуществить согласованный прием отраженных от целей частотно-модулированных сигналов с различной частотой и с различными параметрами частотной модуляции в результате подстройки управляемого частотно-модулированного гетеродина 5 по принятым зондирующему и отраженному от цели сигналам. Это позволит увеличить отношение сигнал-шум на выходе приемного устройства по сравнению с несогласованным приемом, увеличить дальность обнаружения цели и точность измерения дальности.
Оценим эффективность предлагаемого устройства по сравнению с базовым объектом. В качестве базового объекта выберем прототип, как наиболее совершенный среди аналогичных устройств в данной области радиотехники.
и
с
о
г
г
о
Эффективность оценим на примере приема сигнала реальной РЛС [4, стр. 20] ЛЧМ радиоимпульса длительностью τ=10 мкс и девиацией частоты Δf=500 МГц, начальной частоты f=5665 МГц при условии, что предварительная настройка частотно-модулированного гетеродина базового приемного устройства и предлагаемого соответствует периоду модуляции T=10 мкс, девиации частоты Δf=500 МГц и начальной частоте f=5415 МГц. Имеет место расстройка по начальной частоте δf=250 МГц или 4,41%.
Уменьшение амплитуды сигнала на выходе базового приемного устройства по отношению к амплитуде сигнала на выходе предлагаемого адаптивного приемного устройства, при приеме фиксированного сигнала определяется выражением [5, стр. 80].
где
ϑ - относительная расстройка по частоте,
δf - постоянная расстройка по частоте,
Δf - девиация частоты,
n - параметр частотной модуляции.
0
В рассмотренном случае нестабильность сводится только к постоянной расстройке по частоте с относительным значением ϑ, которое приводит к асимметрии выходного импульса и к уменьшению его амплитуды. Координата основного максимума функции |F(x)| при n>>1 определяется выражением [5, стр. 80]
Из этого выражения определяется значение функции
Подставив значения параметров сигнала реальной РЛС (ALCOR) [4, стр. 20] и проведя вычисления получим, что амплитуда импульса на выходе устройства, а значит и отношение сигнал шум по напряжению уменьшается в этом случае на 50%, т.е. в 2 раза.
В предлагаемом приемном устройстве осуществляется подстройка частотно-модулированного гетеродина по принятому от излучающей РЛС зондирующему сигналу по частоте. Поэтому при приеме отраженного от цели ЛЧМ радиоимпульса с вышеуказанными параметрами в условиях априорной расстройки в 4,41% между начальной частотой опорного сигнала, формируемого частотно-модулированным гетеродином, и начальной частотой принимаемого радиоимпульса, отношение сигнал-шум на выходе предлагаемого приемного устройства в 2 раза больше, чем на выходе базового объекта.
Таким образом, применение предлагаемого адаптивного приемного устройства с цепью автоподстройки частоты в рассмотренном случае позволит увеличить отношение сигнал-шум по сравнению с базовым объектом до 2 раз, что приводит к улучшению реальной разрешающей способности [6, стр. 167], уменьшению дисперсии и среднеквадратических ошибок раздельного и совместного измерения времени запаздывания.
ЛИТЕРАТУРА
3
3
1. Патент США №4281327 М. Кл. G01S 13/16, G01G 7/78, НКИ 343-112R Патент США №4176357 М. Кл. G01S 5/02, НКИ 343-112R.
2. Ширман Я.Д. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех / Я.Д. Ширман, В.Н. Манжос. - М: Радио и связь, 1981. - 560 с.
3. Публикация заявки о выдаче патента на изобретение №2000133060/09 (035074), RU 2000133060 A, МПК7 G01S 13/04, 27.11.2002.
4. Кочемасов В.Н. Формирование сигналов с линейной частотной модуляцией / Л.А. Белов, В.С. Оконешников. - М: Радио и связь, 1983. - 191 с
5. Ширман Я.Д. Разрешение и сжатие сигналов. - М: Сов. радио, 1974. - 360 с.
6. Богданов А.Ф. Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники / А.Ф. Богданов, В.В. Васин, В.А. Ильин и др.; под ред. Б.Х. Кривицкого - М: Энегрия, 1977. - 270 с.
ЧЕРТЕЖИ
Фиг. 1 - Структурная схема предлагаемого адаптивного приемного устройства частотно-модулированных сигналов с цепью автоподстройки частоты:
1 - первая антенна,
2 - первый преселектор,
3 - первый смеситель,
4 - спектроанализатор,
5 - управляемый частотно-модулированный гетеродин,
6 - вторая антенна,
7 - второй преселектор,
8 - второй смеситель,
9 - второй фазовый детектор,
10 - опорный генератор,
11 - второй аналого-цифровой преобразователь,
12 - ОЗУ,
13 - цифровой коммутатор,
14 - первый цифро-аналоговый преобразователь,
15 - блок управления частотно-модулированным гетеродином,
16 - детектор,
17 - видеоусилитель,
18 - генератор тактовых импульсов,
19 - первый фазовый детектор,
20 - первый АЦП,
21 - цифровой сумматор,
22 - первое формирующее устройство,
23 - второе формирующее устройство,
24 - цифровой частотный детектор,
25 - ключ,
26 - реверсивный счетчик,
27 - второй цифро-аналоговый преобразователь,
28 - ждущий мультивибратор.
Фиг. 2 - Графики, поясняющие работу предлагаемого адаптивного приемного устройства частотно-модулированных сигналов с цепью автоподстройки частоты
а - зондирующий частотно-модулированный радиоимпульс принятый второй антенной 6 канала прямого сигнала,
б - принимаемый сигнал предлагаемого устройства,
в - напряжение сигнала ошибки второго ЦАП 27,
г - демодулированный сигнал с выхода второго смесителя 8,
д - напряжение сигнала ошибки с выхода второго фазового детектора 9,
е - отраженный от цели радиоимпульс, принятый первой антенной 1,
ж - демодулированный отраженный от цели радиоимпульс с выхода первого смесителя 3,
з - напряжение сигнала ошибки с выхода первого фазового детектора 19,
н
f - начальная частота сигнала,
к
f - конечная частота сигнала.