6.5. Формирование ЛЧМ сигналов

Существуют два основных метода формирования ЛЧМ сигналов, которые на приеме должны обрабатываться при помощи согласованного фильтра с линейной функцией задержки. Первый из них называется методом активного формирования сигнала, так как основан на использовании управляемого по частоте генератора, управляющее напряжение для которого обеспечивает генератор соответствующей модулирующей функции. Второй возможный метод

известен под названием пассивного метода формирования частотно-модулированного сигнала, так как основным его принципом является возбуждение импульсом схемы, сопряженной с согласованным фильтром. Для последнего метода выходной сигнал сопряженного фильтра можно рассматривать как импульсный отклик, который согласован с характеристикой фильтра в приемнике.

Рис. 6.12. (см. скан) Блок-схемы активного формирования ЛЧМ сигналов:а — частотная модуляция; б - фазовая модуляция.

Ниже мы приведем описание некоторых методов формирования ЛЧМ сигнала, хотя это методы в несколько измененном виде могут быть применены для формирования произвольных частотно-модулированных сигналов, позволяющих осуществлять сжатие импульса с помощью согласованного фильтра.

На рис. 6.12 показаны две схемы для активного формирования ЛЧМ сигнала. Частота управляемого напряжением генератора на рис. 6.12, а пропорциональна напряжению на управляющем элементе генератора, так что линейное нарастание напряжения будет по необходимости вызывать линейное возрастание частоты во времени. В такой схеме применен генератор с самовозбуждением, имеющий соответствующий блок стробирования. Если необходимо получить линейную ЧМ без искажений, то изменение частоты в

генераторе может быть ограничено наиболее линейной частью характеристики частота—напряжение. При необходимости иметь большие значения девиации частоты можно использовать умножитель. В генераторах такого типа могут применяться модуляторы с реактивной лампой, клистроны, ЛОВ и т. д.

На рис. 6.12, б представлен второй возможный вариант схемы активного формирования, в котором частота управляемого генератора пропорциональна производной напряжения на управляющем элементе 171. Таким образом, для того чтобы получить линейное нарастание частоты во времени, необходим параболический или квадратичный закон изменения напряжения. Использование стробирующих схем и умножения частоты служит для тех же целей, что указывалось выше.

Рис. 6.13. Две схемы формирования квадратичного управляющего напряжения.

На рис. 6.13 показаны две схемы формирования квадратичного напряжения для управления генератором, в которых: 1) прямоугольные импульсы постоянной амплитуды пропускаются через два каскада линейного интегрирования или 2) происходит вырезание неискаженной синусоиды вблизи ее максимального значёния (на этом отрезке форма кривой весьма близка к параболе) с дальнейшим линейным усилением. Обе эти схемы позволяют получить напряжение желательной формы.

При любом из активных методов модуляции направление изменения частоты может быть изменено на обратное, для чего после смесительного каскада выбирается та или иная боковая полоса выходного сигнала. Это может быть выполнено в передатчике или в приемнике. Метод активного формирования сигнала можно применять в тех случаях, когда необходимо управление модуляционными Характеристиками сигнала независимо от согласованного фильтра в приемнике. Типичным примером этого является введение

дополнительной функции модуляции для исключения влияния модуляционных искажений, создаваемых в каких-либо каскадах передатчика, или формирование модифицированных линейных функций ЧМ, рассмотренных в гл. 7. Если необходимо получить сигнал с нелинейной ЧМ, то для управления переменной частотой генераторов требуются другие типы генераторов управляющего напряжения.

На рис. 6.14 показаны выделенные в отдельные блоки основные элементы схемы пассивного формирования сигналов, позволяющей осуществлять сжатие импульса с помощью согласованного фильтра. Фильтр растяжения имеет дисперсионную характеристику задержки, так что когда он возбуждается коротким импульсом, то в результате на выходе фильтра появляется растянутый импульс.

Рис. 6.14. Иллюстрация метода сопряженных фильтров.

Так как этот импульс должен переносить всю информацию, содержащуюся в полосе узкого возбуждающего импульса, а полоса растянутой огибающей значительно уже, то для передачи информации должна быть использована частотная или фазовая модуляция. Обозначая спектр возбуждающего импульса через , мы можем записать результат прохождения этого сигнала через фильтры приемника и передатчика (пренебрегая искажениями в среде распространения) следующим образом:

Если спектр существенно прямоуголен и несколько шире полосы пропускания то сигнал на выходе приемника запишется

Тем самым мы показали возможность осуществления системы растяжения и сжатия импульса.

По практическим соображениям импульсную возбуждающую функцию следует выбирать таким образом, чтобы основная часть растянутого выходного импульса была сосредоточена в конечном

временном интервале. Вследствие неидеальности характеристик задержки вне полосы частот рис. 6.7) желательно также, чтобы частотный спектр был ограничен. В силу этих соображений импульсная функция (аппроксимированная выражением (6.12)], которая удовлетворяет данным условиям, имеет вид

Используя этот сигнал для возбуждения фильтра с линейной характеристикой задержки, получаем на выходе фильтра растяжения функцию времени вида

Используя выражение для из (6.25) и применяя экспоненциальное представление функций, получаем

Пределы интегрирования в этом равенстве получены в предположении, что спектр имеет прямоугольную форму в соответствии с (6.30) и что ширина полосы равна Используя те же самые выкладки, что и при нахождении спектра в разд. 6.3, преобразуем равенство (6.32) к виду

где

Функция времени может теперь быть записана как

Наиболее важные компоненты могут быть представлены в таком виде:

Огибающая

Функция линейной ЧМ

Остаточный член фазовой модуляции

Для больших значений огибающая может быть аппроксимирована прямоугольной функцией, в то время как остаточный член функции фазовой модуляции аппроксимируется постоянным фазовым углом Выбор формы импульсной функции в виде приводит к тому, что растянутый импульс имеет, по существу, амплитудные и фазовые свойства радиолокационного ЛЧМ сигнала. На практике растянутому импульсу в дальнейшем следует придать более прямоугольную форму с помощью ограничения и стробирования, и в результате спектр сигналена выходе передатчика будет практически неотличим от спектра, полученного с помощью активной схемы.

Необходимая импульсная функция может быть получена при пропускании узкого импульса (ширина полосы через полосовой фильтр с прямоугольной характеристикой (ширина полосы который имеет линейную фазовую характеристику. По существу, операция растягивания импульса сводится при этом к согласованной фильтрации (сопряженной), при которой приближенные характеристики выходного сигнала могут быть получены с помощью принципа стационарной фазы. Однако равенство (6.35) указывает, что огибающая растянутого импульса имеет френелевскую пульсирующую компоненту. Это может явиться весьма существенным фактором, так как воздействие ограничения, которое происходит в мощных радиолокационных передатчиках, будет приводить к тому, что пульсирующая структура временных функций превращается при этом в пульсирующую структуру частотного спектра. Воздействие этих эффектов на сжатие импульсов в радиолокационных приемниках рассмотрено в гл. 7.

На рис. 6,15 приведен пример практической реализации радиолокационной системы, содержащей сопряженные согласованные фильтры. Система основана на преобразовании сигнала, имеющего нечетно-симметричную функцию частотной модуляции, в сигнал, представляющий собой его временною инверсию.

Рис. 6.15. РЛС с согласованными фильтрами, использующая инверсию полосы частот.

Осуществляется это с помощью пропускания сигнала через смеситель, в котором выходная цепь настроена на разностную боковую полосу, а не на суммарную.

Рис. 6.16. Блок-схема системы, использующей принцип сопряженных фильтров с одним общим фильтром для передатчика и приемника.

Симметричная инверсия модуляции имеет место в том случае, если частота напряжения местного гетеродина, подаваемого в смеситель, превышает любую частотную компоненту входного сигнала. Так как такой метод приводит к появлению в приемнике сопряженнбй временной функции, то фильтры, осуществляющие

растяжение и сжатие сигнала, могут иметь идентичные характеристики, что позволяет избежать разработки двух различных фильтров.

На рис. 6.16 показано, как система с инверсией боковой полосы может быть в дальнейшем преобразована для использования лишь одного фильтра растяжения/сжатия, входящего как в схему приемника, так и передатчика. Эти методы были рассмотрены Куком и Чином [81, Куком и Брокнером [91 и Рэмпом и Уингровом [101. Они могут применяться в любых системах сжатия импульсов с помощью согласованного фильтра, которые используют нечетно-симметричные функции частотной модуляции.

Рис. 6.17. Вид сигнале на индикаторе типа А для системы с сопряженными согласованными фильтрами: а — сжатые сигналы; б — несжатые сигналы.

Рис. 6.18. Наложенные сжатые и несжатые сигналы на индикаторе кругового обзора.

Некоторые сложные радиолокационные сигналы, использованные в первых экспериментах, представлены на рис. 6.17 и 6.18. Изображения сигналов на индикаторах типа А, показанные на рис. 6.17, получены с помощью сопряженного фильтра (пассивное формирование) для радиолокатора диапазона, расположенного на крыше здания фирмы Sperry в Грейт-Нек (1955 г.). Сигналы на индикаторе типа А указывают на наличие нескольких крупных рассеивающих целей вблизи здания. Сигналы, прошедшие большое расстояние и имеющие значительные амплитуды, являются отраженными сигналами от уголковых отражателей, установленных на крышах автомоблей, стоящих на дороге. Два более слабых сигнала, находящиеся между рассеивающими целями и уголковыми отражателями, представляют собой отражения от автомобилей или грузовиков, проезжавших по дороге на этом участке. На рисунке наглядно показано уменьшение вредного воздействия отражений от местных предметов и улучшение разрешения в результате сжатия импульсов.

На рис. 6.18 представлено изображение на экране индикатора кругового обзора продетектированных сжатых и наложенных несжатых сигналов. Сигналы на больших дальностях являются отражениями от самолетов на местном аэродроме. Рисунок демонстрирует более высокую эффективную пиковую мощность выходного сигнала согласованного фильтра. На рис. 6.19 представлены последовательные этапы сжатия ЛЧМ сигнала по мере его прохождения по каналу сжатия.

Рис. 6.19. Иллюстрация последовательных этапов сжатия импульсов при прохождении ЛЧМ сигнала через канал сжатия,

Рис. 6.20. Выделение сжатого сигнала на фоне шумов при полностью замаскированном шумом несжатом сигнале.

Верхний рисунок показывает форму сигнала на входе, а нижний на выходе фильтра сжатия, т. е. сжатый сигнал. Промежуточные сигналы иллюстрируют, как дисперсионная линия задержки фильтра сжатия воздействует на сигнал в различных промежуточных точках. Рис. 6.20 показывает выделение сжатого импульса, если несжатый полностью скрыт в шумах.