Цифровое устройство формирования огибающей выходных сигналов передатчиков радиолокационных систем
DIGITAL DEVICE FOR GENERATING ENVELOPE OF OUTPUT SIGNALS OF TRANSMITTERS OF RADAR SYSTEMS

Цифровое устройство формирования огибающей выходных сигналов относится к радиоэлектронике и может быть использовано в передающих и приёмо-передающих модулях первичных и вторичных радиолокационных систем для обеспечения заданных требований к форме фронта и спада выходного радиоимпульса, к скосу и неравномерности вершины выходного радиоимпульса, к амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) передатчика как для одиночных, так и для серии радиоимпульсов.
Известны различные устройства цифрового автоматического регулирования усиления приёмников и передатчиков, предназначенные для работы с непрерывными сигналами и непригодные для работы в импульсном режиме. Наиболее близким устройством к заявленному является [RU №2173501 C2, МПК H04B 7/26 1996 г.], которое включает в себя: по крайней мере один блок цифровой обработки, предназначенный для кодирования данных в канале передачи; передатчик, предназначенный для преобразования, фильтрации и усиления выходных сигналов блока цифровой обработки; усилитель мощности, предназначенный для усиления передаваемого сигнала до уровня, необходимого для распространения усиленного сигнала в открытом пространстве; перестраиваемый аттенюатор, расположенный между передатчиком и усилителем мощности и предназначенный для регулировки выходного сигнала передатчика, поступающего в усилитель мощности; измеритель мощности, предназначенный для измерения передаваемой мощности на выходе усилителя мощности; детектор, предназначенный для сравнения расчетного значения передаваемой мощности с измеренным значением передаваемой мощности и определения, таким образом, ошибки установки мощности; блок регулировки мощности, предназначенный для сравнения абсолютного значения ошибки установки мощности с заданным допустимым отклонением и регулировки перестраиваемого аттенюатора в соответствии с результатами этого сравнения; а также ответвитель для подключения усилителя мощности к измерителю мощности.
Недостатками известных устройств являются отсутствие возможности формирования заданных параметров фронта и спада импульсных сигналов, отсутствие возможности корректировки амплитудно-частотной характеристики, отсутствие корректировки коэффициента усиления передатчика с учётом его тепловой модели.
Технический результатом изобретения обеспечение цифровой регулировки формы огибающей выходных радиоимпульсов передатчиков радиолокационных систем.
Технический результат достигается решением задач обеспечения возможности гибкой цифровой регулировки формы фронта и спада радиоимпульса, уменьшении задержки, а также амплитуды переходных процессов на фронте радиоимпульса, возможности формирования серии радиоимпульсов, а также в возможности корректировки амплитудно-частотной характеристики, не затрагивая аппаратную часть передатчика и не нарушая его герметичность.
Цифровое устройство формирования огибающей выходных сигналов передатчиков радиолокационных систем представляет собой устройство, используемое совместно с усилителем мощности передатчика, включающее в себя входной аналоговый фильтр низких частот, аналогово-цифровой преобразователь, вычислительный блок, детектор частоты, аналогово-цифровой преобразователь, выходной аналоговый фильтр низких частот и буферный усилитель.
Цифровое устройство формирования огибающей выходных сигналов передатчиков радиолокационных систем осуществляет автоматическую регулировку коэффициента усиления усилителя передатчика на вершине радиоимпульса для поддержания заданного уровня выходной мощности, осуществляет формирование фронта и спада радиоимпульса для обеспечения требований к спектру выходного сигнала, осуществляет корректировку амплитудно-частотной характеристики передатчика, уменьшает амплитуду и время переходного процесса на фронте выходного радиоимпульса, корректирует форму импульсов, находящихся внутри одной серии.
Структурная схема цифрового устройства формирования огибающей выходных сигналов представлена на фигуре 1, где:
1 – фильтр нижних частот;
2 – детектор частоты;
3 – аналогово-цифровой преобразователь (АЦП);
4 – вычислительный блок;
5 – цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП);
6 – буферный усилитель.
Вход системы подключён к входу фильтра нижних частот (1), выход которого подключён к входу аналогово-цифрового преобразователя (3, далее – АЦП). Выход АЦП (3) подключён к вычислительному блоку (4). Вход частоты подключён к детектору частоты (2), цифровой выход которого подключён к вычислительному блоку (4). Сигнал модуляции также заводится на вычислительный блок (4). Выход вычислительного блока подключён к входу цифро-аналогового преобразователя (5, далее – ЦАП). Выход ЦАП (5) подключён к буферному усилителю (6).
Сигнал, пропорциональный выходной мощности передатчика радиолокационной системы, поступает на фильтр нижних частот (1), подключённый к входу аналогово-цифрового преобразователя (3). Цифровой сигнал с выхода АЦП поступает на вычислительный блок (4), где производится его обработка и последующая передача на цифро-аналоговый преобразователь (5). Выход ЦАП подключён к фильтру низких частот (1), сигнал с которого поступает на буферный усилитель (6), а далее – на выход устройства. Выход цифрового устройства формирования огибающей выходных сигналов должен подключаться к цепи регулирования коэффициента усиления передатчика радиолокационной системы. Сигнал модуляции поступает на вход вычислительного блока (4). Частота входного сигнала усилителя передатчика радиолокационной системы поступает на детектор частоты (2), где преобразуется в цифровой код и передаётся на вычислительный блок (4).
Структурная схема вычислительного блока (4) представлена на фигуре 2, где:
7 – смещение начального значения кода ЦАП;
8 – детектор фронта импульса модуляции;
9 – полином корректировки АЧХ усилителя;
10 – детектор спада импульса модуляции;
11 – сумматор;
12 – опорное значение;
13 – выборка-хранение;
14 – цифровой интегратор цепи формирования фронта;
15 – вычитатель;
16 – коэффициент усиления ошибки;
17 – полином начального значения кода ЦАП;
18 – полином формирования фронта;
19 – начальное значение кода ЦАП;
20 – тепловая модель усилителя мощности;
21 – цифровой интегратор цепи формирования спада;
22 – цифровой компаратор;
23 – цифровой интегратор цепи автоматического регулирования усиления;
24 – полином формирования спада;
25 – мультиплексор;
26 – умножитель.
Опорное значение (12) и значение полинома корректировки АЧХ (9) суммируются посредством сумматора (11), полученный результат подаётся на вычитатель (15), где из него вычитается входное значение кода АЦП. Полученная разность поступает на умножитель (26), где вычисляется её произведение с коэффициентом усиления ошибки (16). Полученное произведение поступает на цифровой интегратор цепи автоматического регулирования усиления (23). Импульс модуляции поступает на детектор фронта (8), детектор спада (10) и на управляющий вход мультиплексора (25), который выбирает, какая из цепей в данный момент будет подключена к выходу.
Детектор фронта (8) подключён к входу сброса цифрового интегратора цепи формирования фронта (14), начальное значение счёта которого определяет смещение (7). Выходное значение цифрового интегратора цепи формирования фронта (14) поступает на полином формирования фронта (18), который формирует цифровой сигнал заданной формы и подаёт его на вход «Вх. 1» мультиплексора (25). Выход цифрового компаратора (22) подключается к управляющему входу мультиплексора (25), а также к входу сброса цифрового интегратора цепи автоматического регулирования усиления (23).
Детектор спада (10) управляет схемой «выборка-хранение» (13), на вход которой поступает значение с выхода цифрового интегратора цепи автоматического регулирования усиления (23), а также осуществляет сброс цифрового интегратора цепи формирования спада (21). Значение, сохранённое на схеме «выборка-хранение» (13) поступает на вход тепловой модели усилителя мощности (20), а также на умножитель (26).  Цифровой интегратор цепи формирования спада (21) задаёт входные значения для полинома формирования спада (24), который через умножитель (26) подключён к входу «Вх. 3» мультиплексора (25).
Опорное значение для цифрового компаратора (22), а также начальное значение (19) для цифрового интегратора цепи автоматического регулирования усиления (23) определяется полиномом начального значения кода ЦАП (17) и его корректировкой с учётом тепловой модели усилителя мощности (20) посредством сумматора (11).
Цифровое устройство формирования огибающей выходных сигналов передатчиков радиолокационных систем работает следующим образом. Для исключения эффекта наложения спектра, входной сигнал, пропорциональный выходной мощности передатчика, поступает на фильтр нижних частот (1). Отфильтрованный сигнал поступает на вход АЦП (3), где производится его дискретизация. Полученный цифровой сигнал поступает на вход вычислительного блока (4). На детектор частоты (2) поступает часть входного сигнала передатчика, которая преобразуется в цифровой код текущей рабочей частоты.
В начальный момент времени выход мультиплексора (25) подключён к входу «Вх. 1». Детектор фронта (8) отслеживает фронт импульса модуляции и запускает цифровой интегратор цепи формирования фронта (14), который начинает интегрирование с заданного смещения (7). Смещение необходимо, когда выход цифрового устройства формирования огибающей выходных сигналов управляет элементом с пороговой характеристикой (например, затвором полевого транзистора). Смещение позволяет уменьшить задержку между фронтом импульса модуляции и фронтом выходного радиоимпульса передатчика, а также минимизировать переходные процессы на фронте выходного радиоимпульса. Величина смещения должна быть приближена к пороговому значению, но не должна превышать его. Полином формирования фронта (18) обеспечивает плавное нарастание кода ЦАП (5) через мультиплексор (25). Как только код ЦАП достигает значения, превышающего начальное значение (19), срабатывает цифровой компаратор (22), который переключает мультиплексор (25) в положение «Вх. 2» и сбрасывает цифровой интегратор цепи автоматического регулирования усиления (23), загружая в него начальное значение (19).
В режиме работы автоматического регулирования усиления (мультиплексор (25) в положении «Вх. 2») производится поддержание уровня выходной мощности передатчика на заданном уровне посредством схемы сравнения с опорным значением (11). Уровень выходной мощности передатчика определяется опорным значением (11), которое корректируется в зависимости от частоты полиномом корректировки АЧХ (9) для обеспечения требуемой формы амплитудно-частотной характеристики. Значение с выхода АЦП (3) вычитается из заданного опорного значения (11) посредством вычитателя (15). На выходе вычитателя (15) формируется значение ошибки, которое умножается на коэффициент усилителя ошибки (16) посредством умножителя (26) и поступает на цифровой интегратор цепи автоматического регулирования усиления (23). Коэффициент усиления ошибки определяет скорость реакции и устойчивость системы регулирования. При большом значении коэффициента усиления ошибки система может стать неустойчивой, при малом – скорость реакции будет слишком низкой. Сигнал с выхода цифрового интегратора цепи автоматического регулирования усиления (23) через мультиплексор (25) поступает на ЦАП (5).
Детектор спада (10) отслеживает спад импульса модуляции. При появлении спада импульса модуляции выборка-хранение (13) запоминает текущее выходное значение цифрового интегратора цепи автоматического регулирования усиления (23), производится сброс цифрового интегратора цепи формирования спада (21), мультиплексор (25) переключается в положение «Вх. 3». Полином формирования спада (24) преобразует выходной сигнал цифрового интегратора в сигнал с диапазоном выходных значений, начиная от 1 до 0. Выходное значение полинома формирования спада (24) умножается на сигнал, сохранённый схемой «выборка-хранение» (13) и поступает на вход «Вх. 3» мультиплексора (25), который передаёт полученный сигнал на ЦАП (5).
Начальное значение цифрового интегратора цепи автоматического регулирования усиления (23) зависит от опорного значения (12) с учётом его корректировки полиномом корректировки АЧХ (9) и тепловой модели усилителя мощности (20). Зависимость от опорного значения устанавливается полиномом начального значения кода ЦАП (17). Тепловая модель усилителя мощности (20) запоминает значение выхода цифрового интегратора цепи автоматического регулирования усиления (23) в конце радиоимпульса, затем уменьшает его согласно заданному временному закону, описывающему кривую остывания усилителя мощности, и корректирует начальное значение кода ЦАП (19) для следующего радиоимпульса. Сумматор (11) позволяет учесть обе корректировки для начального значения кода ЦАП (19).
Сигнал с выхода ЦАП (5) поступает на выходной фильтр низких частот (1). Отфильтрованный сигнал поступает на буферный усилитель (6), а затем на выход цифрового устройства формирования огибающей выходных сигналов, который управляет коэффициентом усиления выходного усилителя передатчика радиолокационной системы.
Использование цифрового устройства формирования огибающей выходных сигналов передатчиков радиолокационных систем позволяет получить хорошую воспроизводимость параметров передатчиков при их серийном производстве, не корректируя аппаратную часть. Калибровка всех коэффициентов цифрового устройства при этом может производиться в полностью автоматическом режиме без нарушения герметичности передатчика.