УСТРОЙСТВО КОРРЕЛЯЦИОННО-ФИЛЬТРОВОЙ ОБРАБОТКИ МНОГОЧАСТОТНОГО ЛИНЕЙНО-ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННОГО ФАЗО-КОДО-МАНИПУЛИРОВАННОГО СИГНАЛА С МНОГОЧАСТОТНЫМ ГЕТЕРОДИНИРОВАНИЕМ

Предлагаемое устройство относится к области радиотехники и может быть использовано в радиолокационных системах обнаружения, распознавания и селекции.
Известно устройство, обнаружитель-измеритель многочастотных сигналов, содержащее 2 частотных канала осуществляющих на основе блоков задержки, комплексного сопряжения, комплексного умножения, усреднения, вычисления модуля, а также двух блоков деления, двух блоков умножения и сумматора обработки исходных отсчетов, схему вычисления оценки доплеровской скорости на основе последовательно соединенных блоков вычисления фазы и блока умножения и две схемы объединения частотных каналов на основе дополнительного сумматора и дополнительного блока комплексного умножения совместно с блоком комплексного сопряжения. [1]. Однако это устройство обладает ограниченными функциональными возможностями по обработке только простых многочастотных (МЧ ЛЧМ) сигналов.
Известно также устройство, позволяющее обеспечить некогерентную обработку многочастотного линейно-частотно-модулированного (МЧ ЛЧМ) сигнала, содержащее 1-й усилитель, полосовой фильтр, преселектор, 2-й усилитель, дисперсионный фильтр, детектор огибающей и интегрирующий элемент, а также блок формирования гетеродинных частотно-модулированных (ЧМ) колебаний [2, стр. 401, рис. 6.38]. Работа устройства заключается в том, что отраженные от цели все N парциальных линейно-частотно-модулированных (ЛЧМ) радиоимпульсов через сверхвысокочастотный (СВЧ) усилитель и преселектор поступают на смеситель, на который также подаются гетеродинные частотно-модулированные колебания. Они формируются либо путем однократной либо двукратной фазовой модуляции. В смесителе ЛЧМ радиоимпульсы многочастотного (МЧ) сигнала, кроме центрального смещаются на определенную величину относительно частоты дисперсионного фильтра приемника. В результате исключаются интерференционные фединги и для неквазиточеченых целей с увеличением широкополосности МЧ сигнала потери становятся меньше, чем .
Недостатком этого устройства является ограниченные функциональные возможности по обработке сложных сигналов с внутриимпульсной модуляцией, а также наличие потерь обработанного сигнала по сравнению с оптимальной фильтрацией.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является малоканальное (по числу N парциальных ЛЧМ радиоимпульсов) устройство для когерентной обработки квазишумового МЧ ЛЧМ сигнала [2, стр. 401, рис. 6.39], который выбран в качестве прототипа.
Устройство содержит СВЧ усилитель, усилитель промежуточной частоты, два полосовых фильтра, N+1 (по числу парциальных ЛЧМ радиоимпульсов) смесителей, N дисперсионных фильтров, N детекторов огибающей, N аттенюаторов и многоотводную линию задержки.
При этом выход первого СВЧ усилителя через первый полосовой фильтр подключен к первым входам с 1-го по N-й смесителей. Выходы смесителей 1…N через дисперсионные фильтры 1…N соответственно, соединены со входами амплитудных детекторов 1…N соответственно, выходы которых являются выходами устройства. Вторые входы смесителей 1…N соединены через аттенюаторы 1…N с выходами 1…N соответственно многоотводной линии задержки, вход которой последовательно через второй полосовой фильтр соединен с выходом N+1-го фазового модулятора, на первый вход которого через усилитель промежуточной частоты (УПЧ) подается модулирующее напряжение, а на второй вход напряжение гетеродина.
г
0
01
0
см
01
01
0
0
01
0
см
з
со
c
г
см
c
г
0
c
0
c
з
со
co
co
Работа известного устройства заключается в следующем. Гетеродинное МЧ напряжение формируется либо путем однократной фазовой модуляции непрерывного СВЧ сигнала частоты f=f гармоническим колебанием промежуточной частоты F=F-F, либо путем двукратной фазовой модуляции, но гармоническими колебаниями и с частотами F и NF (это зависит от способа формирования зондирующих МЧ ЛЧМ радиоимпульсов, причем F и NF - частоты гармонических модулирующих колебаний, используемых в передатчике), но при F=F (F=0) и подается на N смесителей каналов обработки через линию задержки с отводами. Общая задержка в линии , а отводы следуют через ΔТ=1/NΔf. Зависимости частоты от времени МЧ ЛЧМ сигнала f(t), отраженного от квазиточечной цели, и гетеродинных МЧ колебаний f(t), например на первом и втором отводах линии задержки, изображены в [2, стр. 401, рис. а, б, в соответственно]. Для изображенной ситуации на выходе смесителя 2 гармоническая составляющая частотной модуляции МЧ ЛЧМ сигнала демодулируется и на дисперсионный фильтр ДФ2 поступает согласованный с ним ЛЧМ радиоимпульс частоты f(t)=f(t)-f2(t) [2, стр. 401, рис. 6.40, г]. Тогда на выходе второго канала в момент t+τ получается сжатый импульс [2, стр. 401, рис. 6.40, д] с длительностью  и амплитудой, равной максимуму функции неопределенности МЧ ЛЧМ сигнала при τ=0 [2, стр. 26, рис. 1.23, г]. На выходах остальных смесителей (1-го, 3-го, 4-го, … N-го) указанная демодуляция не происходит, а нелинейная частотная модуляция еще более увеличивается. Поэтому на выходах соответствующих дисперсионных фильтров получаются остаточные сигналы [2, стр 401, график 1 на рис.6.40, д], максимальные выбросы которых в моменты (t+τ)±NΔТ соответствуют амплитудам боковых лепестков функции неопределенности МЧ ЛЧМ сигнала при τ=1/iΔf, где i=1, 2, …, N. Если отраженный МЧ ЛЧМ сигнал смещается на Δt=1/iΔf, то сжатый импульс сдвигается на эту же величину, появляясь на выходе соседнего канала обработки. В свою очередь, следующие сжатые импульсы на выходе каждого канала обработки появляются при смещении отраженного МЧ ЛЧМ сигнала на Δt=1/Δf. Энергетические потери при такой обработке отсутствуют.
Вышеописанное устройство, осуществляет когерентную обработку квазишумового МЧ ЛЧМ сигнала, а его основным недостатком является ограниченные функциональные возможности по обработке сложных сигналов с внутриимпульсной фазо-кодовой манипуляцией.
o
Основной целью предлагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей прототипа по обработке сложных многочастотных сигналов с внутриимпульсной фазо-кодовой манипуляцией. Одним из таких сложных сигналов является многочастотный линейно-частотно-модулированный фазо-кодо-манипулированный сигнал (МЧ ЛЧМ ФКМ), состоящий из N парциальных ЛЧМ радиоимпульсов, имеющих одинаковую девиацию частоты Δf и излучаемых одновременно на разных несущих частотах, при этом внутри парциальных ЛЧМ радиоимпульсов фаза меняется по закону М-последовательности (фиг.2).
Поставленная цель достигается тем, что в известное малоканальное устройство когерентной обработки квазишумового МЧ ЛЧМ сигнала, содержащее сверхвысокочастотный усилитель, вход которого является первым входом устройства, подключаемый к полосовому фильтру, выход которого является первыми входами с 1-го по N-ый смеситель, 1-ый, 2-ой, N-ый выход которых соединен соответственно с входом 1-го, 2-го, N-го дисперсионных фильтров, 1-ый, 2-ой, N-ый выход которых соединен соответственно с входом 1-го, 2-го, N-го детектора огибающих, усилитель промежуточной частоты, вход которого является вторым входом устройства, соединенный со вторым входом фазового модулятора, первый вход которого является третьим входом устройства, первую линию задержки 1-ый, 2-ой, …, N-ый выход которой соединен соответственно со вторыми входами 1-го, 2-го, …, N-го смесителей, дополнительно введены генератор М-последовательности, фазовый манипулятор, вторая линия задержки, с 1-го по N-ый перемножитель, с 1-го по N-ый детектор и общий сумматор, при этом выход генератора М-последовательности является первым входом фазового манипулятора, его выход соединен с входом первой линии задержки а его второй вход является выходом фазового модулятора, который также является входом второй линии задержки, 1-ый, 2-ой, N-ый выход которой соединен соответственно со входами 1-го, 2-го, N-го детектора, 1-ый, 2-ой, N-ый выход которых соединен с вторыми входами 1-го, 2-го, N-го перемножителя соответственно, первыми входами которых являются 1-ый, 2-ой, N-ый выход детекторов огибающих, выходы перемножителей соединены с сумматором выход которого является выходом устройства.
Данное устройство при условиях, имеющих место на практике, позволяет достичь следующего технического эффекта: расширить функциональные возможности прототипа, то есть обеспечить корреляционно-фильтровую обработку многочастотного ЛЧМ сигнала с внутриимпульсной фазо-кодовой манипуляцией по коду М-последовательности с многочастотным гетеродинированием.
Технический эффект в предлагаемом устройстве достигается за счет введения с 1-го по N-ый перемножитель 6-1, 6-2, …, 6-N, общего сумматора 7, генератора М-последовательности 9, фазового манипулятора 11, второй линии задержки 12 и с 1-го по N-ый детектор 14-1, 14-2, …, 14-N, что позволяет, в отличии от прототипа, с помощью двоичного кода М-последовательности произвести манипуляцию фазы гетеродинного ЛЧМ сигнала, а затем свертку поступающего на вход многочастотного линейно-частотно-модулированного фазо-кодо-манипулированного (МЧ ЛЧМ ФКМ) сигнала в ЛЧМ сигнал с дискретных участков дальности, с последующей согласованной обработкой ЛЧМ сигнала в дальностном канале и объединение радиолокационной информации на выходе сумматора.
Реализация предлагаемой полезной модели не требует конструктивных изменений в аппаратуре существующих РЛС и сводится к введению в их состав дополнительного устройства когерентной обработки многочастотных ЛЧМ ФКМ сигналов.
Структурная схема разработанного устройства корреляционно-фильтровой обработки МЧ ЛЧМ ФКМ сигнала с многочастотным гетеродинированием приведена на фиг.1.
Данное устройство предназначено для работы совместно с устройством формирования многочастотного ЛЧМ ФКМ сигнала.
В состав устройства корреляционно-фильтровой обработки МЧ ЛЧМ ФКМ сигнала с многочастотным гетеродинированием входят: первый усилитель 1, полосовой фильтр 2, смеситель 3-1, 3-2,…, 3-N, дисперсионный фильтр 4-1, 4-2, …, 4-N, детектор огибающей 5-1, 5-2, …, 5-N, перемножитель 6-1, 6-2, …, 6-N, сумматор 7, второй усилитель 8, генератор М-последовательности 9, фазовый модулятор 10, фазовый манипулятор 11, первая линия задержки 13, вторая линия задержки 12, детектор 14-1, 14-2, 14-N.
Рассмотрим соединение элементов устройства корреляционно- фильтровой обработки многочастотного ленейно-частотно-модулированного фазо-кодо-манипулированного сигнала с многочастотным гетеродинированием.
Первый усилитель 1, вход которого является первым входом устройства, через полосовой фильтр 2, соединен с первыми входами смесителей 3-1, 3-2, …, 3-N, выходы которых соединены соответственно с входом 1-го, 2-го, N-го дисперсионного фильтра 4-1, 4-2, …, 4-N, выходы которых соединены соответственно с входом 1-го, 2-го, N-го детектора огибающей 5-1, 5-2, …, 5-N, выходы которых соединены соответственно с первыми входами 1-го, 2-го, N-го перемножителя 6-1, 6-2, …, 6-N, выходы которых являются входами сумматора 7, выход которого является выходом устройства, вторые входы 1-го, 2-го, N-го перемножителя 6-1, 6-2, …, 6-Ν, соединены соответственно с 1-ым, 2-ым, N-ым выходом детектора 14-1, 14-2,…, 14-Ν, выходы которых, соединены с 1-ым, 2-ым, N-ым выходом второй линии задержки 12 соответственно, вход линии задержки 12 соединен с выходом фазового модулятора 10, второй вход которого является третьим входом устройства, а его первый вход является выходом усилителя промежуточной частоты 8, выход которого является вторым входом устройства, выход фазового модулятора 10 также является вторым входом фазового манипулятора 11, первым входом которого является выход генератора М-последовательности 9, а его выходом является вход первой линии задержки 13 1-ый, 2-ой, N-ый выход которой соединен соответственно со вторыми входами 1-го, 2-го, N-го смесителя 3-1, 3-2, 3-N.
Работа устройства заключается в свертке поступающего на вход многочастотного линейно-частотно-модулированного фазо-кодо-манипулированного (МЧ ЛЧМ ФКМ) сигнала в ЛЧМ сигнал с дискретных участков дальности за счет многочастотного гетеродинирования с фазо-кодовой манипуляцией гетеродинного сигнала, с последующей согласованной обработкой в дальностных каналах и объединение сигналов на выходе сумматора.
м
оп
Работу устройства рассмотрим на примере обработки МЧ ЛЧМ ФКМ сигнала, отраженного от квазиточечной цели. Последний через усилитель 1 и полосовой фильтр 2 поступает на первые входы смесителей 3-1, 3-2, …, 3-N. На их вторые входы с отводов первой многоотводной линии задержки (МЛЗ) 13, поступают МЧ гетеродинные колебания с фазо-кодовой манипуляцией, отличающиеся сдвигом по времени. Для их формирования используется МЧ гетеродин в состав которого входят: фазовый модулятор 10, в котором осуществляется фазовая модуляция СВЧ гармонического колебания частоты f01 гармоническим колебанием промежуточной частоты F=Δf поступающих с выходов устройства формирования; фазовый манипулятор 11, который производит манипуляцию фазы многочастотного гетеродинного сигнала по закону М-последовательности, поступающей с генератора М-последовательности 9.
В комплексной форме сигнал, поступающий на второй вход устройства, являющийся входом усилителя промежуточной частоты 8, в предположении амплитуды здесь и далее для упрощения равной единице, представляется в виде:
01
0
где ω, φ - несущая частота и начальная фаза колебаний генератора.
На модулирующий вход фазового модулятора 10, являющийся третьим входом устройства подается непрерывное гармоническое модулирующее колебание частоты F вида:
M
M
где U, φ - амплитуда и начальная фаза гармонического модулирующего колебания.
Выходное колебание фазового модулятора 10 является колебанием многочастотного гетеродина и в комплексной форме имеет вид:
φ
φ
M
φ
где Μ=SU - индекс фазовой гармонической модуляции; S крутизна фазовой модуляционной характеристики модулятора.
Выходное колебание фазового модулятора 10 модулируется в фазовом манипуляторе 11 по закону М-последовательности, формируемой в генераторе М-последовательности 9, и в комплексной форме имеет вид:
i
где θ∈[0,π] - закон фазовой манипуляции колебания фазового модулятора.
з
оп
Выходной сигнал (4) фазового манипулятора 11 поступает на вход первой многоотводной линии задержки 13. К первым входам смесителей 3-1, 3-2, …, 3-Ν подключаются те отводы многоотводной линии задержки, задержка между которыми соответствует разрешению по времени (дальности) обрабатываемого сигнала и равна Δt=1/Nf.
з
оп
Сигналы с выходов первой многоотводной линии задержки 13, отличающиеся нарастающим сдвигом по времени Δt=1/Nf поступают на вторые входы смесителей 3-1, 3-2, …, 3-N.
Если на первом входе одного из смесителей, например, 1-го, временное положение отраженного МЧ ЛЧМ ФКМ сигнала, представляемого виде:
соответствует временному положению многочастотного фазоманипулированного гетеродинного колебания на выходе i-го отвода первой многоотводной линии задержки 13, то в этом смесителе (канале обработки) происходит полная демодуляция гармонической частотной модуляции и фазовой манипуляции принятого МЧ ЛЧМ ФКМ сигнала, что эквивалентно когерентному суммированию всех N парциальных ЛЧМ радиоимпульсов и на выходе 1-го смесителя сигнал примет вид, изображенный на фиг.2, и представляется виде:
Во всех остальных каналах обработки такой демодуляции МЧ ЛЧМ ФКМ сигнала не происходит.
пч
01
оп
0
Ф
01
ЛЧМ сигнал промежуточной частоты f остаточной девиацией частоты Δf=Δf-Δf(n-1) сжимается в согласованных с ним дисперсионных фильтрах 4-1, 4-2, …, 4-N (фиг. 3, 4) с полосой Δf=Δf и детектируется в детекторах огибающих 5-1, 5-2, …, 5-N (фиг.5).
Далее полученный сигнал поступает на первые входы перемножителей 6-1, 6-2, …, 6-N. На выходе остальных смесителей указанная демодуляция не происходит. Поэтому на выходах соответствующих дисперсионных ЛЧМ фильтров получаются остаточные сигналы максимальные выбросы которых соответствуют амплитудам боковых лепестков функции неопределенности МЧ ЛЧМ ФКМ сигнала.
сж
Для исключения наложения выходных сигналов дальностных каналов предусмотрено стробирование (фиг. 6). Стробирующий импульс формируется для каждого дальностного канала своим детектором, на вход которого поступает сигнал с многочастотного гетеродина, задержанный в соответствующем канале второй многоотводной линии задержки 12. С выходов детекторов 14-1, 14-2, …, 14-N стробирующие импульсы подаются на соответствующие вторые входы 1-го, 2-го, N-го перемножителя 6-1, 6-2, …, 6-N. Минимальное количество дальностных каналов определяется соотношением , где Τ - период модулирующей функции, а τ - длительность центрального пика АКФ обрабатываемого сигала. Интервал между дискретно-анализируемыми участками дальности в данной схеме определяется интервалами второй многоотводной линии задержки 12.
Сигналы с выходов перемножителей 6-1, 6-2, …, 6-Ν когерентно суммируются в первом сумматоре 7 (фиг.7), выход которого является выходом устройства.
В качестве базового объекта выбран прототип, поскольку он отвечает необходимым требованиям, предъявляемым к подобным устройствам в настоящее время.
В отличие от базового объекта, обеспечивающего когерентную обработку квазишумового МЧ ЛЧМ сигнала, предлагаемое устройство позволяет осуществлять когерентную обработку МЧ ЛЧМ ФКМ сигнала с многочастотным гетеродинированием. Это стало возможным путем включения генератора М-последовательности, фазового манипулятора, с 1-го по N-ый перемножитель, с 1-го по N-ый детектор и общего сумматора. При этом включение дополнительных элементов существенно не усложняет алгоритм работы предлагаемого устройства в целом, но позволяет обрабатывать многочастотный ЛЧМ ФКМ сигнал.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет осуществлять обработку многочастотного ЛЧМ ФКМ сигнала с многочастотным гетеродинированием и может быть изготовлен на известной элементной базе и известными промышленными средствами.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Патент №2166772 (Россия), МКИ G01S 13/58. Обнаружитель-измеритель многочастотных сигналов /Д.И. Попов, А.Г. Белокрылов. Опубл. 10.05.2001.
2. Н.Г. Батурин, А.В. Гомозов, В.И. Гомозов, А.В. Зюзин Динамическая теория формирования сложных СВЧ сигналов с высокой скоростью модуляции: Монография. - Ярославль, 2010. - 552 с.