Прямой цифровой синтез сложных широкополосных сигналов в задачах радиолокации, навигации и связи
Покупка
Издательство:
Поволжский государственный технологический университет
Автор:
Рябов Игорь Владимирович
Год издания: 2016
Кол-во страниц: 151
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-8158-1662-6
Артикул: 786734.01.99
Доступ онлайн
В корзину
Изложена современная теория цифрового синтеза частот и сигналов. Представлена классификация систем синтеза частот, методов формирования высококачественных ЧМ- и ФМ-сигналов. Приведены новые структуры цифровых вычислительных синтезаторов, построенных на базе метода прямого цифрового синтеза.
Для студентов и магистрантов направлений «Радиотехника» и «Радиотехнические системы и комплексы», аспирантов, инженеров и разработчиков.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 11.03.01: Радиотехника
- ВО - Специалитет
- 11.05.01: Радиоэлектронные системы и комплексы
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
И. В. РЯБОВ ПРЯМОЙ ЦИФРОВОЙ СИНТЕЗ СЛОЖНЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ В ЗАДАЧАХ РАДИОЛОКАЦИИ, НАВИГАЦИИ И СВЯЗИ Монография Йошкар-Ола ПГТУ 2016
УДК 621.396 ББК 32.852.3 Р 98 Рецензенты: доктор физико-математических наук, профессор КНИТУ (КАИ) А. Ф. Надеев; доктор технических наук, профессор ПГТУ А. А. Роженцов; доктор физико-математических наук, профессор МарГУ А. Н. Леухин Рябов, И. В. Р 98 Прямой цифровой синтез сложных широкополосных сигна- лов в задачах радиолокации, навигации и связи: монография / И. В. Рябов. – Йошкар-Ола: Поволжский государственный техно- логический университет, 2016. – 152 с. ISBN 978-5-8158-1662-6 Изложена современная теория цифрового синтеза частот и сигналов. Представлена классификация систем синтеза частот, методов формирова- ния высококачественных ЧМ- и ФМ-сигналов. Приведены новые струк- туры цифровых вычислительных синтезаторов, построенных на базе ме- тода прямого цифрового синтеза. Для студентов и магистрантов направлений «Радиотехника» и «Ра- диотехнические системы и комплексы», аспирантов, инженеров и разра- ботчиков. УДК 621.396 ББК 32.852.3 ISBN 978-5-8158-1662-6 © Рябов И. В., 2016 © Поволжский государственный технологический университет, 2016
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие ................................................................................................. 5 Введение ....................................................................................................... 7 Глава 1. МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ЧАСТОТ И СИГНАЛОВ ........................................................................... 10 1.1. Синтез частот в радиотехнике и электронике .......................... 10 1.2. Классификация цифровых и аналоговых методов синтеза частот и сигналов ................................................................. 22 Глава 2. ТЕОРИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИНТЕЗАТОРОВ ПРЯМОГО ЦИФРОВОГО СИНТЕЗА ......................................................................... 34 2.1. Теория прямого цифрового синтеза сигналов .......................... 34 2.2. Математические модели радиосигналов, применяемых в радиотехнике .......................................................... 35 2.3. Методы расширения спектра сигнала........................................ 37 2.4. Метод прямого цифрового синтеза синусоидальных сигналов .............................................................................................. 38 2.5. Помехи, обусловленные генератором тактовой частоты ......... 41 2.6. Шумы, связанные с усечением кода фазы ................................ 43 2.7. Шумы, связанные с ограниченной разрядностью ЦАП ......... 45 2.8. Цифровые методы синтеза частот .............................................. 47 2.9. Цифровые вычислительные синтезаторы прямого синтеза на основе цифровых накопителей ..................................................... 50 2.10. Фазовые отклонения в синтезаторах ЛЧМ-сигналов ............. 55 Глава 3. РАЗРАБОТКА НОВЫХ СТРУКТУР ЦИФРОВЫХ СИНТЕЗАТОРОВ ЧАСТОТ И ЦИФРОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИНТЕЗАТОРОВ НА БАЗЕ МЕТОДА ПРЯМОГО ЦИФРОВОГО СИНТЕЗА ................................................................................................... 57 3.1. Цифровые синтезаторы частот .................................................. 58 3.2. Цифровой синтезатор частот на основе цифровых накопителей кодов ............................................................................ 59 3.3. Цифровой синтезатор частот на основе умножителя кодов ................................................................................................... 63 3.4. Цифровой синтезатор c быстрой перестройкой рабочей частоты .................................................................................. 67 3.5. Цифровой синтезатор частот с полиномиальным законом изменения фазы (частоты) ................................................. 72
3.6. Рекурсивный цифровой синтезатор частот .............................. 75 3.7. Цифровой синтезатор частотно-модулированных сигналов .............................................................................................. 80 3.8. Цифровой синтезатор фазомодулированных сигналов ......... 83 3.9. Цифровой синтезатор частотно-модулированных сигналов .............................................................................................. 86 3.10. Цифровой синтезатор частот с расширенным частотным диапазоном ...................................................................... 91 3.11. Цифровой вычислительный синтезатор ............................... 93 3.12. Цифровой синтезатор для формирования сигналов многочастотной телеграфии .............................................................. 97 3.13. Цифровой синтезатор двухуровневых сигналов ..................... 99 3.14. Цифровой синтезатор частот с коммутацией фазовых отсчетов ............................................................................. 102 3.15. Цифровой синтезатор многофазных сигналов ..................... 104 3.16. Цифровой синтезатор частотно- и фазомодулированных сигналов ................................. 108 3.17. Синтезатор с V-образным законом иодуляции частоты ............................................................................................ 110 Глава 4. АНАЛИЗ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫХОДНЫХ КОЛЕБАНИЙ ЦИФРОВЫХ СИНТЕЗАТОРОВ ЧАСТОТ .................................................................................................. 113 Глава 5. ПРИМЕНЕНИЕ ЦИФРОВЫХ СИНТЕЗАТОРОВ ЧАСТОТ И СИГНАЛОВ В ЗАДАЧАХ РАДИОСВЯЗИ И РАДИОЛОКАЦИИ ............................................................................. 122 5.1. Цифровые синтезаторы как узлы адаптивной системы связи ............................................................. 122 5.2. Базовая станция дистанционного зондирования атмосферы ....................................................................................... 127 5.3. Построение АЧХ и ДЧХ .......................................................... 134 5.4. Применение цифровых синтезаторов частот в телевизионной и измерительной технике .................................. 134 Заключение .............................................................................................. 138 Библиографический список ................................................................... 139
ПРЕДИСЛОВИЕ Теория синтеза частот и сигналов, базирующаяся на основных методах линейной и нелинейной радиотехники и теории автомати- ческого управления, за последние десятилетия выделилась в отдель- ную научную дисциплину. Роль систем синтеза частот (синтезаторов частот), которым в основном посвящена данная монография, в современных радиотех- нических системах (РТС) все более возрастает, так как прецизион- ность параметров формируемых ими колебаний обеспечивает высо- кие точностные характеристики РТС. Дисциплину «Синтезаторы частот» изучают только в некото- рых вузах России (например, в КАИ). В основном, как правило, она входит в качестве раздела в дисциплины «Радиопередающие устройства». Однако специальной литературы по данному направ- лению явно недостаточно. Актуальные вопросы проектирования современных цифровых вычислительных синтезаторов рассмотре- ны в журнальных статьях, не всегда доступных широкому кругу студентов, бакалавров, магистрантов, аспирантов, инженеров и разработчиков. В данной монографии изложены основные разделы теории циф- ровых синтезаторов частот и сигналов, построенных на базе метода прямого цифрового синтеза. В первой главе рассмотрены общие вопросы терминологии, классификации систем синтеза частот. Описаны методы формирова- ния высококачественных частотно-модулированных (ЧМ) сигналов. Вторая глава посвящена теоретическим основам метода прямого цифрового синтеза и моделированию основных узлов ЦВС. В третьей главе приведены новые структуры цифровых вычис- лительных синтезаторов и цифровых синтезаторов с расширенными функциональными возможностями, высоким быстродействием, ма- лым шагом сетки частот и высокой линейностью закона изменения частоты.
В четвертой главе показаны примеры использования цифровых синтезаторов в адаптивной системе связи, в базовой станции ди- станционного зондирования атмосферы Земли. Сформулированы требования к цифровым вычислительным синтезаторам: по мини- мальной тактовой частоте, диапазону рабочих частот, быстродей- ствию, шагу сетки частот, уровню амплитудных и фазовых шумов. Проведен компьютерный анализ спектральных характеристик коле- баний, формируемых цифровыми синтезаторами. В заключении сформулированы основные выводы. Автор выражает глубокую признательность доктору техниче- ских наук, профессору ННГТУ Н.П. Ямпурину, профессору КНИТУ (КАИ) В.В. Болозневу за консультации, а также рецензентам: докто- ру технических наук, профессору ПГТУ А.А. Роженцову, доктору физико-математических наук, профессору МарГУ А.Н. Леухину, доктору физико-математических наук, профессору КНИТУ (КАИ) А.Ф. Надееву за ценные замечания и советы, позволившие улучшить изложение материала в книге.
ВВЕДЕНИЕ Последние годы характеризуются возрождением интереса к ра- диотехнологиям, бурным развитием средств радиолокации, навига- ции и связи. Одним из основных функциональных узлов современ- ных радиосистем являются системы синтеза частот, поэтому задача формирования высокостабильной сетки частот крайне актуальна при построении многих радиосистем, поскольку стабильность парамет- ров синтезируемых ими колебаний обеспечивает высокие техниче- ские характеристики радиотехнических систем (РТС). Развитие радиоэлектронной и микропроцессорной техники поз- воляет в настоящее время создавать диагностическую аппаратуру со сложными частотно-модулированными и амплитудно-фазоманипу- лированными сигналами, обладающую высокой разрешающей спо- собностью, устойчивой помехозащищенностью, хорошей электро- магнитной совместимостью, малыми масс-габаритными характери- стиками и энергопотреблением, по сравнению с традиционными ме- тодами исследований, основанными на использовании простых им- пульсных сигналов. Авторитетные научные эксперты министерств обороны России и США считают, что быстродействующие интегральные цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС) с тактовыми частотами около 100 ГГц, малым шагом по частоте (доли Гц) и малым временем пе- реключения с одной частоты на другую на 99 % удовлетворят по- требности радиотехнических систем различного назначения. Такие достоинства ЦВС как технологичность, надежность, устойчивость к воздействию дестабилизирующих факторов, экстре- мально малое время переключения частот при перестройке частоты, преемственность фазы формируемых колебаний, способность фор- мирования сложных широкополосных сигналов, возможность пол- ной микроминиатюризации, удобный дружественный интерфейс, хорошая повторяемость параметров при тиражировании уже сегодня позволили существенно повысить технико-экономические показате- ли многих РТС.
Важнейшими тенденциями развития систем связи и радиолока- ции являются освоение более высоких частот и переход к использо- ванию сложных широкополосных сигналов для создания новых пер- спективных радиотехнических систем с повышенной помехоустой- чивостью. Сложные сигналы широко применяются во многих областях техники: радиолокации, навигации и связи. Использование сложных сигналов в радиолокации обеспечивает высокую разрешающую спо- собность одновременно по дальности и по скорости, в радиосвязи позволяет повысить помехозащищенность и устойчивость связных систем, в навигации – повысить точность позиционирования по- движных и неподвижных объектов. Исторически так сложилось, что первыми из сложных сигналов стали применяться радиосигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), которые обладают определенными преимуществами перед другими сложными сигналами: возможностью достижения большой девиации частоты и значительной скорости перестройки; сравни- тельной простотой изменения формы огибающей ЧМ сигнала и ско- рости частотной модуляции для улучшения параметров сжатого сиг- нала; простотой оценки, измерения и коррекции искажений. ЛЧМ-сигналы используются в качестве базовых при формиро- вании непрерывных ЧМ-сигналов треугольной, пилообразной фор- мы, либо сигналов с V-, M- образной ЧМ [28]. Эти сигналы, при надлежащем выборе их параметров, обеспечивают высокую разре- шающую способность по дальности и скорости, сохраняя при этом все достоинства сигналов с линейной частотной модуляцией [14]. Основы теории и техники методов синтеза частот, заложенные зарубежными исследователями (А. Боли, В. Кроупом, Б. Гоулдом, Дж. Тирнеем, Р. Хоскиным, Н. Купером, Ваккой), успешно разраба- тывались видными российскими учеными: В.В. Шахгильдяном, И.Н. Гуревичем, М.И. Жодзишским, В.Н. Кочемасовым и др. Весо- мый вклад в это направление внесли исследователи нижегородской школы синтеза частот: Ю.И. Алехин, Ю.К. Богатырев, В.И.Логинов, С.С. Сухотин, С.Я. Шишов, В.С. Станков, Н.П. Ямпурин.
Вопросам формирования и исследования ЛЧМ-сигналов посвя- щены работы Ч. Кука, Д. Бернфельда [28], К. Кэпьюти, Ч. Кибблера, а также Л.Т. Варакина [4], Д.Е. Вакмана [3], И.С. Гоноровского [8], С.И. Баскакова, М.Е. Лейбмана, Я.Д. Ширмана [34], М.И. Жодзиш- ского [50], В.Н. Кочемасова [27], В.В. Шумаева [14], В.А. Иванова [14] и др. В настоящее время разработаны основные принципы построе- ния цифровых синтезаторов частот (ЦСЧ) и цифровых вычислитель- ных синтезаторов (ЦВС), построенных на базе метода прямого циф- рового синтеза. Однако на сегодняшний день отсутствует строгая классификация систем синтеза частот (ССЧ), недостаточно исследо- ваны предельные возможности ССЧ по быстродействию (диапазону синтезируемых частот и скорости перестройки) и «чистоте спектра» формируемых колебаний. Развитие ССЧ в настоящее время идет в основном в рамках известных структурных схем по пути их инте- гральной реализации, технологического повышения быстродей- ствия, снижения энергопотребления и стоимости. Наряду с этим большое значение имеет поиск новых способов повышения качественных показателей ЦВС и ЦСЧ. В первую оче- редь это относится к быстродействию и «чистоте спектра» формиру- емых колебаний, так как именно эти параметры остаются неудовле- творительными для ряда практических применений. В представленной монографии рассмотрены пути расширения функциональных возможностей цифровых вычислительных синтеза- торов и цифровых синтезаторов частот, повышения их быстродей- ствия и «спектральной чистоты» формируемых сигналов, снижения уровня амплитудных и фазовых шумов.
Глава 1 МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ЧАСТОТ И СИГНАЛОВ 1.1. Синтез частот в радиотехнике и электронике Синтезом частот называют процесс формирования одного или нескольких стабильных по частоте периодических колебаний с заданными номинальными значениями частоты. Эти колебания синтезируются из одного или нескольких опорных (исходных) колебаний путем различных преобразований. Источник опорного колебания именуют опорным генератором (ОГ), а его частоту – опорной частотой. Технические устройства, которые осуществляют синтез ча- стот, называют системами синтеза частот (ССЧ) [47]. Синте- затор частот – это ССЧ, конструктивно оформленная в виде функционально законченного устройства (блока, узла, платы, мо- дуля, микросхемы). Если в ССЧ используется несколько опорных частот, ее считают многоопорной. Если все выходные частоты синтезированы из одного исходного колебания, то ССЧ – одно- опорная. В таких синтезаторах точность и стабильность выход- ных частот определяются опорным генератором. 1.1.1. Классификация методов синтеза частот Возможность получения высокостабильных колебаний в определенном диапазоне частот была реализована в тридцатые годы прошлого столетия. Благодаря промышленному освоению производства изделий пьезокварцевой техники – резонаторов,
фильтров, генераторов – тогда удалось разработать радиостан- ции, обеспечивающие бесподстроечную связь. Первый метод кварцевой стабилизации в диапазоне частот был предложен в 1936 г. Г.А. Зейтленком и впоследствии был назван методом прямой интерполяции [47]. Колебания кварцево- го генератора опорной частоты и интерполяционного LC- генератора, плавно перестраиваемого в диапазоне от fmin до fmax , поступают на балансный смеситель. На выходе смесителя включен перестраиваемый полосовой фильтр, выделяющий продукты преобразования в интервале от f0-fmin до f0+fmax. Относительная нестабильность колебаний на вы- ходе синтезатора f оказывается тем ниже, чем больше отноше- ние f0/fг , где fг – частота LC-генератора. При смене кварцевых резонаторов удавалось сделать диапазон перестройки довольно большим. Однако существенным недостатком метода прямой ин- терполяции было наличие на выходе устройства большого числа побочных продуктов преобразования, в первую очередь интен- сивных составляющих вида f0 2fг , f0 3fг. Дальнейшее повышение требований к стабильности частоты колебаний и «чистоты спектра» способствовало созданию диапа- зонных гетеродинов приемников и возбудителей передатчиков, перестраиваемых не плавно, а дискретно – ступенями с шагом Δfc. Так, в сороковые годы стали применяться устройства диапа- зонно-кварцевой стабилизации частоты, построенные по принци- пам: кварц-волна, прямого преобразования, методом гармоник. В ССЧ, построенных по методу кварц-волны [47], синтезиру- емая частота образуется суммой частот нескольких кварцевых генераторов с переключаемыми кварцевыми резонаторами: n i n f m n f f k f f ε if if cf 1 Δ 0 ... 2 Δ 20 1 Δ o , (1.1) где fiо – начальное (низшее) значение частоты;
Δfi – приращение (шаг настройки) частоты кварцевых резона- торов, коммутируемых переключателем Si, i, k, l, m – целые постоянные числа. Если k, l, m могут изменяться от 0 до 9, а отношение прира- щений i i f f 1 кратно десяти, то реализуется декадный принцип установки частоты на выходе цифрового синтезатора. В подобном синтезаторе неточности настройки кварцевых резонаторов, нестабильности частот кварцевых генераторов вно- сят аддитивный вклад в выходной сигнал. И поскольку колебания отдельных кварцевых генераторов некоррелированы между со- бой, метод кварц-волна относят к некогерентным методам. Отличительная черта когерентного синтеза – формирование всех выходных колебаний из одного – опорного колебания, со- здаваемого высокостабильным кварцевым (или квантовым) гене- ратором. Метод прямого преобразования используют, когда необхо- димо получить сравнительно небольшое число выходных частот [24]. При этом синтезатор состоит из умножителей и делителей частоты, смесителей и полосовых фильтров, настроенных на раз- ные частоты. Такие ССЧ позволяют одновременно синтезировать несколько колебаний с разными частотами. Метод гармоник предполагает, что на выходе ССЧ присут- ствует колебание лишь одной из множества возможных частот [25]. Выходная частота кратна частоте опорного генератора. Ос- новным элементом такой ССЧ является селектор гармоник, со- стоящий из генератора гармоник, формирующий из гармониче- ского колебания последовательность коротких прямоугольных импульсов, и узкополосного фильтра, настроенного на требуе- мую гармонику. Фильтр может быть пассивным или активным. Перестраива- емые узкополосные пассивные фильтры целесообразно использо-
Доступ онлайн
В корзину