6.7. Методы обработки сигналов с большими значениями произведения длительности на полосу

При использовании сигналов с большими значениями произведения длительности на полосу построение согласованного фильтра приемника по методике, описанной в разд. 6.2-6.4, может стать сложной задачей из-за появления таких факторов, как искажение сигналов в длинных линиях задержки, а также потери и ограничение ширины полосы. В настоящем разделе обсуждаются два метода построения систем согласованной фильтрации ЛЧМ сигналов с большим значением произведения длительности на полосу, которые призваны разрешить эти проблемы.

а) Обработка в параллельных каналах

Основная схема согласованного фильтра с параллельными каналами для обработки ЛЧМ сигналов показана на рис. 6.32. В каждом канале имеется дисперсионный фильтр с коэффициентом сжатия где причем общая длительность сигнала и общая ширина полосы. Центральные частоты каналов разнесены на величину и определяются соотношениями

Если предположить, что входной сигнал каждого канала является ЛЧМ сигналом с прямоугольной огибающей длительностью и девиацией частоты то выходной сигнал каждого канала имеет вид [11

]

Ширина сжатого импульса на уровне —4 дб равна на выходе каждого канала. Постоянные линии задержки в каждом канале обеспечивают временное совпадение соответствующих сигналов. Кроме того, применяется управление фазой, чтобы согласовать по фазе несущие частоты сигналов во всех каналах при отсутствии допплеровского сдвига и совпадении пиков.

Суммирование выходных сигналов каналов, как показано на рис. 6.32, дает результирующий выходной сигнал, определяемый формулой

Равенство (6.51) указывает, что общее произведение длительности на полосу в раз превышает произведение для отдельного канала.

Рис. 6.32. Устройство сжатия импульсо» с параллельными каналами для обработки ЛЧМ сигналов, имеющих большую величину произведения длительности на полосу: а - блок-схема устройства; б - частотные характеристики полосовых фильтров.

Оно же означает, что если произведение длительности на полосу равно то разделение согласованного фильтра на одинаковых каналов приводит к уменьшению величины произведения длительности на полосу для отдельного капала до Такой прием позволяет получить заметное упрощение дисперсионных линий

задержки для каждого канала по сравнению с созданием одноканального согласованного фильтра. Поскольку размеры дисперсионного задерживающего фильтра прямо пропорциональны значению произведения длительности на полосу (см. гл. 12—14), то число или размер дисперсионных компонент, необходимых для создания многоканального фильтра, приблизительно в раз меньше, чем в случае одноканальногофильтра сжатия. Просачивание между соседними каналами, которое происходит вследствие перекрытия полосовых характеристик, требует, чтобы линейная задержка в каждом канале выдерживалась в полосе, превышающей Следовательно, уменьшение размеров дисперсионных элементов задержки будет несколько меньше чем Такая экономия компонент частично перекрывается необходимостью иметь фильтры с фиксированными задержками и управлять фазой. Кроме того, необходимы более сложные входные и выходные цепи.

Основное преимущество метода, использующего параллельные каналы, состоит в том, что меньшие значения произведения длительности на полосу в каждом канале позволяют лучше контролировать искажения характеристик задержки в каждом дисперсионном фильтре. Этот тип искажений, подробно рассмотренный в гл. 11, играет все большую роль по мере увеличения произведения длительности на полосу дисперсионного фильтра. Фильтры сжатия в каналах могут относиться к любому типу из рассмотренных в гл. 12—14. Уменьшение уровня боковых лепестков можно выполнить с помощью весовой обработки, проводимой после объединения каналов, или посредством управления коэффициентами усиления в каждом канале для получения ступенчатого взвешивающего отклика. Для частного случая, когда в параллельных каналах использованы узкополосные полосовые устройства, рассматриваемый метод позволяет увеличить общую полосу частот.

Построение фильтра для сжатия ЛЧМ сигнала с коэффициентом сжатия содержащего десять каналов, подробно рассмотрено Джакобусом [12]. Коэффициент сжатия для отдельного канала равен или 10. Это устройство с равным успехом служило как фильтром сжатия, так и растяжения. Сигналы, полученные с помощью такого согласованного фильтра, представлены на рис. 6.33.

Рис. 6.33, а изображает растянутый импульс длительностью 1000 мксек. После инверсии боковой полосы для того, чтобы изменить направление изменения частоты, тот же самый сигнал был снова подан на параллельный многоканальный согласованный фильтр с целью получения сжатого импульса длительностью 1 мксек (ширина импульса на уровне — 4 дб), показанного на рис. 6.33, б. При такой реализации в каждом канале использовались свои входные смесители и местные гетеродины, так что фильтры сжатия в каждом канале работали на одной и той же центральной частоте, и, следовательно, имели идентичное построение. Такие же местные гетеродины и выходные смесители смещали спектральные

составляющие отдельных каналов в их соответствующие Частотные позиций (см. рис. 6.32, б) перед сложением отдельных импульсов из каждого канала.

Этот метод построения, основанный на синтезе дисперсионных характеристик многоотводных линий задержки, рассмотрен Хэггерти [13].

Рис. 6.33. Форма сигналов на входе и выходе системы сжатия ЛЧМ импульсов с параллельными каналами при коэффициенте сжатия 1000 : 1. а — несжатый импульс; б - сжатый импульс. Масштаб — 5 мксек/деление.

Параллельный многоканальный метод может также применяться для формирования нелинейных ЧМ сигналов. В этом случае нелинейная ЧМ аппроксимируется набором смежных ЛЧМ сегментов с различным наклоном. Каждый из этих ЛЧМ сегментов обрабатывается в своем собственном канале с линейной дисперсионной задержкой. Применение устройства такого типа для обработки сложных сигналов с нелинейной ЧМ было описано Тором [14].

б) Метод обработки с помощью анализатора спектра

Соотношение между временем и частотой для ЛЧМ сигнала позволяет измерять дальность посредством гетеродинирования,

т. е. путем сравнения функции ЧМ принимаемого сигнала сигнала местного генератора, для которого функция ЛЧМ имеет такой же наклон, что и передаваемый сигнал. При таком методе реализации приемного устройства момент запуска местного генератора с согласованной ЛЧМ обычно задерживается на величину после момента передачи, но эта задержка должна быть меньше задержки принимаемого сигнала на входе приемника. Сигнал местного генератора записывается в виде

где

Принимаемый сигнал поступает через сек после запуска местного генератора и имеет вид

Перемножение этих двух сигналов в смесителе, показанном на рис. 6.34, дает в результате

где

Первый член в выражении (6.54) есть импульс постоянной частоты длительностью частота которого определяется временной задержкой (или дальностью) принимаемого сигнала относительно момента запуска местного генератора. Функция ЧМ для этого случая показана на рис. 6.35. Для того чтобы частота сигнала, поступившего на вход в момент не оказалась равной нулю, сигнал местного генератора дополнительно смещается по частоте на величину промежуточной частоты Выходной сигнал смесителя в этом случае имеет вид

Если огибающая а имеет прямоугольный вид, то спектр сигнала запишется

(кликните для просмотра скана)

Ширина этого спектра на уровне —4 дб равна , она и определяет величину элемента разрешения по спектру. Так как то из (6.55) можно заметить, что второй сигнал с задержкой по дальности который размещается в соседнем элементе разрешения по дальности при использовании сжатого импульса, будет иметь сдвиг центральной частоты на выходе смесителя или Таким образом, процесс гетеродинирования принимаемого сигнала с помощью местного генератора ЛЧМ сигнала преобразует информацию, заложенную в разности задержек, которую можно было бы измерить на выходе фильтра сжатия, в информацию, выражающуюся в различии частот и обеспечивающую разрешение по дальности, эквивалентное разрешению при сжатых импульсах.

Реализация такой системы требует исследования выходных сигналов смесителей с помощью анализатора спектра. Таким анализатором может быть набор узкополосных фильтров (ширина полосы равна центральные частоты которых разнесены на Описанная методика может стать более сложной, если необходимо исследовать одновременно большое число элементов разрешения по дальности. Более компактным устройство получается при использовании когерентных запоминающих фильтров [15, 16], устройств с рециркуляционными линиями задержки, которые дают возможность получать в реальном времени на выходе спектр большого числа одновременно поступающих сигналов [17]. В общем случае при использовании анализатора спектра применяют слежение или рассматривают узкий строб по дальности, с тем чтобы избежать затруднений, связанных с управлением линейностью характеристик местного генератора при больших временных интервалах и очень широких пределах изменения частоты. В случае применения слежения частотная информация с выхода смесителя подается обратно в схему, управляющую запуском генератора линейно с возрастающей функцией ЧМ для сохранения постоянной центральной частоты выходного сигнала смесителя. Необходимая для этого синхронизация запуска местного генератора осуществляется с помощью данных слежения по дальности.

В работе Темеш и др. [18] описано применение системы такого типа, в которой длительность передаваемого импульса равна 2000 мксек, девиация частоты составляет а произведение длительности на полосу равно 8000. Если несколько сигналов поступают практически одновременно, то боковые лепестки спектральных откликов более сильных сигналов могут замаскировать более слабые сигналы. Боковые лепестки можно уменьшить посредством весовой обработки или усечения огибающей принимаемого сигнала до того, как он поступит на вход анализатора спектра. Это может осуществляться путем управления частотной характеристикой приемника еще до смесителя на рис. 6.34 или с помощью временной амплитудной модуляции огибающей принимаемого импульса.

Последний метод, исследованный Темешом, требует синхронизации временнбй весовой функции приемника со временем поступления принимаемых сигналов.

Весовая функция Хэмминга, описанная в гл. 171, может быть непосредственно использована в амплитудном модуляторе приемника [18]. Однако временная весовая обработка в приемнике не является оптимальным методом обработки, когда сдвиги во времени поступления нескольких сигналов соизмеримы с длительностью передаваемого сигнала. Если принимаемые сигналы имеют допплеровский сдвиг, то измерения дальности, основанные на применении анализатора спектра, могут привести к ошибке. ЛЧМ сигналы при этом автоматически корректируют ошибки определения дальности при методах сопровождения по дальности, рассмотренных в разд. 9.5.

Методы, в которых применяются анализаторы спектра, дают наибольший эффект в том случае, если функции ЧМ передаваемого сигнала и местного генератора строго линейны. В работе Темеша и др. описан пушпульный метод умножения частоты для генерирования линейных функций ЧМ с очень малыми искажениями. Пиблс и Стивене [19] рассмотрели другой метод, основанный на формировании строго контролируемой лестничной ступенчатой функции ЧМ и заполнении ступенек пилообразной ЧМ функцией; при этом достигается нелинейность фазовой модуляции порядка одного градуса.