УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОЧАСТОТНЫХ ПСЕВДОШУМОВЫХ СИГНАЛОВ

Предлагаемое устройство относится к области радиотехники и может быть использовано в радиолокационных системах обнаружения, распознавания и селекции.
β
ƒ
ϕМОД
Известно 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 цифроаналоговых 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 k величина k, 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 k. Результирующий код фазы:
,
где i - текущий номер тактового импульса;
ϕ0
k - код начальной фазы;
ƒ0
k - код начальной частоты; в зависимости от номера i 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 псевдошумовых сигналов [2].
Также известно устройство формирования многочастотного квазишумового сигнала [3], содержащее генератор случайных чисел, дискретный фильтр низких частот, накопитель кода фазы, постоянное запоминающее устройство, аппаратный перемножитель, цифровой сумматор, блок памяти FIFO, цифроаналоговый преобразователь, аналоговый фильтр низких частот, два балансных перемножителя, два фазовращателя, сумматор, делитель частоты, опорный генератор, при этом выход делителя частоты соединен с входом накопителя кода фазы, 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 С, 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 аналогового фильтра низких частот, выход которого соединен с 1-м входом 1-го балансного перемножителя и второго фазовращателя, выход которого является входом 2-го балансного перемножителя, 2-е входы балансных перемножителей соединены с выходом опорного генератора для 1-го балансного перемножителя, и с выходом первого фазовращателя сигнала опорного генератора для 2-го балансного перемножителя, выходы балансных перемножителей являются 1-м и 2-м входами сумматора, выход которого является выходом устройства.
ƒ
ϕ,
S
m
ϕ
Работа известного устройства заключается в цифровом формировании отсчетов узкополосного хаоса и его однотональной фазовой модуляции с последующим цифроаналоговым преобразованием и смещением на несущую частоту. Работа устройства начинается с подачи тактового сигнала от опорного генератора через делитель частоты на накопитель кода фазы (по данному тактовому сигналу работают все цифровые модули устройства). На накопитель кода фазы подается код частоты k однотональной фазовой модуляции. На его выходе формируется код фазы k в соответствие с которым в постоянном запоминающем устройстве производится считывание отсчетов гармонического сигнала k с частотой F поступающих на аппаратный перемножитель. В аппаратном перемножителе отсчеты гармонического сигнала умножаются на заданный коэффициент фазовой модуляции М и подаются на цифровой сумматор. В цифровом сумматоре к кодам отсчетов гармонического сигнала прибавляется константа С, которая должна удовлетворять условию
,
где n- разрядность шины адреса, R - объем памяти FIFO. На вход данных памяти FIFO поступают отсчеты узкополосного квазишумового процесса, полученного путем фильтрации отсчетов хаотического процесса с цифрового генератора случайных чисел. После заполнения памяти отсчетами квазишумового сигнала, за счет независимого адресного считывания по гармоническому закону, на выходе памяти FIFO формируются отсчеты многочастотного квазишумового сигнала. Это достигается за счет эквивалентности задержки сигнала по времени сдвигу по фазе при фазовой модуляции.
Используя аппарат комплексных амплитуд можно показать, что сдвиг по фазе узкополосного квазишумового процесса производится по закону:
.
Если поставить в соответствие последовательности из R отсчетов узкополосного сигнала значение полной фазы 2π, то, при фиксированном шаге дискретизации Δt, в цифровом устройстве возможно реализовать сдвиг мгновенной фазы с шагом 2π/R, соответствующему сдвигу по времени на Δt. 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.
T
Для формирования квадратурных составляющих при когерентном преобразовании частоты вверх служит фазовращатель на величину π/2, вход которого соединенный с выходом низкочастотного фильтра, а выход соединен с входом балансного смесителя. Полоса пропускания фильтра низких частот не должна превышать значения ƒ/2, данный фильтр служит для сглаживания ступенчатой формы сигнала на выходе цифроаналогового преобразователя. Высокочастотный многочастотный квазишумовой сигнал формируется в сумматоре, на входы которого поступают высокочастотные квадратурные составляющие сигнала с выходов балансных смесителей, выход которого является выходом устройства.
Недостатком вышеописанного устройства является не оптимальное использование энергетического потенциала, вследствие чего потери энергии многочастотных квазишумовых сигналов составляют примерно 6,5 дБ относительно ФКМ и ЛЧМ сигналов.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является улучшение энергетических показателей устройства формирования многочастотных квазишумовых сигналов.
Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство формирования многочастотного квазишумового сигнала, содержащее генератор случайных чисел, дискретный фильтр низких частот, накопитель кода фазы, постоянное запоминающее устройство, аппаратный перемножитель, цифровой сумматор, блок памяти FIFO, цифроаналоговый преобразователь, аналоговый фильтр низких частот, два балансных перемножителя, два фазовращателя, сумматор, делитель частоты, опорный генератор, дополнительно введены вычислитель корректирующей функции и второй аппаратный перемножитель, 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 С, 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 соединен с входом вычислителя корректирующей функции и входом второго аппаратного перемножителя, второй вход которого соединен с выходом вычислителя корректирующей функции, выход второго аппаратного перемножителя соединен со 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-м и 2-м входами сумматора, выход которого является выходом устройства.
Данное устройство при условиях, имеющих место на практике, позволяет достичь следующего технического эффекта: увеличить среднюю энергию формируемых многочастотных псевдошумовых сигналов на 4,5 дБ.
Технический эффект в предлагаемом устройстве достигается за счет введения вычислителя корректирующей функции на основании преобразования Гилберта и второго аппаратного перемножителя, что позволяет формировать многочастотные псевдошумовые сигналы с огибающей, близкой к прямоугольному виду.
Реализация предлагаемой полезной модели не требует конструктивных изменений в аппаратуре существующих радиолокационных станций и сводится к введению в их состав дополнительного устройства формирования многочастотного псевдошумового сигнала.
Структурная схема разработанного устройства формирования многочастотных псевдошумовых сигналов приведена на фиг. 1.
В состав устройства формирования многочастотных псевдошумовых сигналов входят: генератор случайных чисел 1, дискретный фильтр низких частот 2, накопитель кода фазы 3, постоянное запоминающее устройство 4, первый аппаратный перемножитель 5, цифровой сумматор 6, блок памяти FIFO 7, вычислитель корректирующей функции 8, второй аппаратный перемножитель 9, цифроаналоговый преобразователь 10, аналоговый фильтр низких частот 11, балансные перемножители 12, 13, фазовращатели 14, 18, сумматор 15, делитель частоты 17, опорный генератор 16.
Работа устройства заключается в цифровом формировании отсчетов узкополосного хаоса и его однотональной фазовой модуляции с последующей коррекцией мгновенного значения амплитуды, цифроаналоговым преобразованием и смещением на несущую частоту.
ƒ
ϕ
S
m
ϕ
Работа устройства начинается с подачи тактового сигнала от опорного генератора 16 через делитель частоты 17 на накопитель кода фазы 3 (по данному тактовому сигналу работают все цифровые модули устройства). На накопитель кода фазы 3 подается код частоты k однотональной фазовой модуляции. На его выходе формируется код фазы k, в соответствии с которым в постоянном запоминающем устройстве производится считывание отсчетов гармонического сигнала k с частотой F поступающих на первый аппаратный перемножитель 5. В перемножителе 5 отсчеты гармонического сигнала умножаются на заданный коэффициент фазовой модуляции М и подаются на цифровой сумматор 6. В сумматоре 6 к кодам отсчетов гармонического сигнала прибавляется константа С, которая должна удовлетворять условию:
,
S
n-1
n-1
где n - разрядность шины адреса, R - 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 k∈[-2, 2] разрядностью n 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 псевдошумовой сигнал можно получить путем перемножения узкополосного процесса  и экспоненциальной функции :
.
ϕ
m
n
m
В данном выражении: М - индекс модуляции; F - частота модуляции; J(z) - функция Бесселя первого порядка n-го рода; n - целые числа. Оно описывает многочастотный псевдошумовой сигнал, представляющий собой суммы парциальных псевдошумовых радиоимпульсов, разнесенных по частоте на F. Качественно амплитудно-частотный спектр сформированного сигнала представлен на фиг.4. Используя аппарат комплексных амплитуд можно показать, что сдвиг по фазе узкополосного квазишумового процесса производится по закону:
.
Если поставить в соответствие последовательности из R отсчетов узкополосного сигнала значение полной фазы 2π, то, при фиксированном шаге дискретизации Δt, в цифровом устройстве возможно реализовать сдвиг мгновенной фазы с шагом 2π/R, соответствующему сдвигу по времени на Δt. 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.
Вследствие значительных провалов мгновенных значений амплитуды формируемого сигнала на выходе памяти FIFO 7, средняя энергия многочастотных псевдошумовых сигналов уменьшается. Поэтому для улучшения энергетических показателей формирователя мгновенная амплитуда многочастотного псевдошумового сигнала на выходе памяти FIFO 7 корректируется во втором аппаратном перемножителе 9 путем перемножения с корректирующей функцией. Корректирующая функция формируется в вычислителе корректирующей функции 8 и имеет вид:
,
где  - преобразование Гилберта от реализации исходного многочастотного псевдошумового сигнала.
T
Для формирования квадратурных составляющих при когерентном преобразовании частоты вверх служит фазовращатель 14 на величину π/2, вход которого соединенный с выходом низкочастотного фильтра 11, а выход соединен с входом балансного смесителя 13. Применение фазовращателя 14 возможно при формировании достаточно узкополосных сигналов. Полоса пропускания фильтра низких частот 11 не должна превышать значения ƒ/2, данный фильтр служит для сглаживания ступенчатой формы сигнала на выходе цифроаналогового преобразователя 10. Фазовращатель 18 служит для формирования ортогональных сигналов, поступающих на вторые входы балансных смесителей 12, 13 от опорного генератора 16. Высокочастотный многочастотный псевдошумовой сигнал формируется в сумматоре 15, на входы которого поступают высокочастотные квадратурные составляющие сигнала с выходов балансных смесителей, выход которого является выходом устройства. Огибающая многочастотного псевдошумового сигнала на выходе памяти FIFO 7 и функция коррекции на выходе устройства вычисления функции коррекции 8 представлены на фиг.2. Реализация многочастотного псевдошумового сигнала с выхода памяти FIFO 7 и скорректированная реализация данного сигнала с выхода цифроаналогового преобразователя 10 показаны на фиг.3. Спектры сформированных сигналов на выходе памяти FIFO 7 и цифроаналогового преобразователя 10 показаны на фиг.4.
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. Устройство формирования многочастотного квазишумового сигнала: Патент на полезную модель №177630 / Кострыкин П.А., Зюзин А.В., Хайбутов М.Е., Хайбутов К.Е.,. - РФ, заявл. 20.03.2017; зарегистр. 02.03.2018.- 3 с.