2. Передатчики помех.

На рис. 16.2изображена наиболее общая функциональная схема станции радиопротиводействия, включающей в себя: передатчик помех, состоящий из антенно-фидерного устройства (АФУ), генератора высокочастотных колебаний (ГВЧ) и модулятора (М), и приемник наведения, обеспечивающим установку и наведение передатчика по направлению и поляризации через АФУ, по несущей частоте через ГВЧ и по параметрам модуляции помехи через модулятор М.

С помощью анализатора мы определяем параметры работающей РТС (направление, поляризация, частот, параметры модуляции и т.д. ).

Таким образом, приемник наведения управляет работой передатчика помех в соответствии с радиообстановкой, информация, о которой поступает непосредственно из эфира

АФУ – антенно-фидерное устройство; ГВЧ – генератор; ВЧ колебаний; М – модулятор;

РПУ – радиоприемное устройство

Рисунок 16.43 – Общая функциональная схема станции радиопротиводействия

Шум – основа радиопомех

Эффективная помеха должна обладать подобием с подавляемым радиосигналом. Только в этом случае будет затруднена селекция радиосигнала в приемнике. Подобие означает совпадение по возможности всех параметров помехи с параметрами сигнала (исключая информационный параметр). Для информационного параметра, принимающего случайные значения, должно обеспечиваться статистическое подобие. В результате суммирования двух случайных процессов (сигнала и помехи) образуется смесь, из которой извлечение информации затруднено. Обычно обеспечивается значительное превышение помехи над сигналом по интенсивности, что с учетом нелинейных преобразований в приемнике приводит к полному подавлению сигнала.

Таким образом, модулятор должен содержать источник случайных колебаний, в качестве которых удобно использовать случайный процесс с нормальным вероятностным распределением напряжения или тока – шум.

Генератор шума практически всегда является составным элементом модулятора, схема модулятора в общем виде представлена на рис. 16.3. Первичный источник шума (ПИШ) представляет собой сложное устройство. Основные требования, предъявляемые к ПИШ, следующие 1) достаточная интенсивность шума, при которой несложно обеспечить усиление до уровня, требуемого для модуляции ГВЧ, 2) равномерный, требуемой ширины спектр генерируемого процесса.

ПИШ – первичный источник шума; ПрШ – преобразователь шума; УМ – усилитель мощности;

Рисунок 16.44 – Схема модулятора

Наиболее простым генератором шума является резистор. Эффективное значение напряжения шума на выходе резистора .

Такой генератор имеет существенный недостаток – малое значение напряжения шума. Вследствие этого резисторы в качестве ПИШ не применяются.

Широко известен шумовой диод. Интенсивность шума можно оценить по эффективному значению тока:

,(16.92)

где – заряд электрона;

– ток насыщения диода.

Шумовой диод широко применяется в измерительной технике как источник калиброванного шума, однозначно зависящего от тока . Однако уровень шума относительно мал (как в резисторе).

В передатчиках помех применяются в основном два источника шума 1) тиратрон в магнитном поле, 2) транзисторный генератор шума.

Рисунок 16.45 – Спектр шума усилительного транзистора

Шумовые тиратроны генерируют шум с эффективным напряжением до 10 В в полосе до 10 МГц. Обычный тиратрон дает неравномерный спектр. Размещение его в поле постоянного магнита устраняет паразитные колебания электронно-ионной плазмы на отдельных частотах, приводящие к неравномерности спектра

Другим источником шума является усилительный транзистор, дополненный усилителями, преобразователями и корректирующими цепями. Спектр шума усилительного транзистора показан на рис. 16.4.

Кривую можно разбить на три области: 1) низкочастотную область Iв полосе 0 –f_н, гдеf_н– нижняя граница области усиления, принимающая значения до 1000 Гц, 2) область усиленияII, 3) высокочастотную областьIII(f>f_в, гдеf_в– верхняя граница области усиления, принимающая различные значения в зависимости от назначения транзистора.

Для ПИШ избирают некоторую полосу Δf, в которой интенсивность шума будет достаточной. Далее можно произвести усиление полосовым усилителем, частотную коррекцию, обеспечивающую равномерность спектра, и детектирование. Низкочастотный шум, полученный таким образом, используют для модуляции.

Особенности амплитудной модуляции шумом

Из курса радиопередающих устройств известен критерий глубины модуляции для синусоидального модулирующего напряжения. Пользоваться таким критерием при модуляции шумом нельзя. В данном случае применяются два показателя.

1. пиковый коэффициент модуляции

(16.93)

2. эффективный коэффициент модуляции

,(16.94)

где Uпик – наибольшее (пиковое) напряжение шума,Ε – амплитуда модулируемого напряжения,Uэф– эффективное напряжение шума.

Модуляция сопровождается перераспределением энергии по спектру, при этом общая мощность Ρмодулированного колебания является суммой мощностей несущего колебанияРнеси боковых составляющихРбок: Р = Рнес+Рбок. Мощность, содержащаяся в боковых составляющих:

(16.95)

Маскирующее действие амплитудно-модулированной помехи определяется боковыми полосами, поэтому с точки зрения подавления целесообразно повышать их мощность, увеличивая mэф. Однако произвольное возрастаниеmэфнедопустимо, поскольку пиковый коэффициент модуляции может превысить единицу, т.е. произойдет перемодуляция. Последняя или равноценна снижению глубины модуляции или приводит (для некоторых приборов) к срыву колебаний. Например, в магнетронном генераторе может произойти срыв колебаний с последующим «перескоком» частоты генерирования, что нежелательно.

Поэтому необходимо ограничивать шум:

(16.96)

где kогр– коэффициент ограничения шума

Так как – величина достаточно малая, то считают на уровне 3Uэфшум практически неограниченным. Для негоkогр= 3. Чтобы не допустить перемодуляцию, принимаемmпик=1. Тогда для практически неограниченного шума получимmэф= 0,3, аРбок ≈ 0,1 Рнес. Если принятьkогр= 1,5, тоРбок ≈ 0,4 Рнес.

Следует подчеркнуть, что ограничение должно обязательно сопровождаться усилением, что вытекает из требования mпик=1. Модулятор передатчика помех, таким образом, содержит элементы, показанные на рис.16.5.

ПИШ – первичный источник шума; УО – усилитель-ограничитель; УМ – усилитель мощности;

Рисунок 16.46 – Модулятор передатчика помех

Особенности частотной модуляции передатчиков помех

При подавлении ЧМ сигналов целесообразно применять ЧМ помеху. Однако частотная модуляция может использоваться также при создании широкополосных помех. В данном случае расширение полосы является средством компенсации ошибок наведения помехи по частоте. Такая помеха считается универсальным средством подавления сигнала с любой модуляцией. В сигналах с широкополосной ЧМ модуляцией ширина спектра определяется в основном девиацией частоты

д

а) – модуляционная характеристика ГВЧ; б) – временная диаграмма шума; в) – реализация f(t); г) – энергетический спектр; д) – плотность распределения вероятности шума

Рисунок 16.47 – Частотная модуляция помех

На рис. 16.6,а изображена модуляционная характеристика ГВЧ (для простоты будем считать ее линейной). Модуляция по частоте производится шумом, временная диаграмма которого показана на рис.16.6,б.Очевидно, частота помехи будет изменяться в зависимости от напряжения шума и, поскольку модуляционная характеристикаf (и) линейна, реализацияf (t), показанная на рис.16.6,вбудет повторять по форме реализацию шумаu(t).Если мысленно провести два эксперимента: построить кривую вероятностного распределения шумаw(u) и кривую энергетического спектраP(f) (с помощью узкополосного анализатора спектра), то можно убедиться, что кривыеw(u) иP(f) совпадут по форме. При проведении мысленного эксперимента ординатаw(u') пропорциональна относительному времени пребывания напряженияu(t) в интервалеΔu, а мощность на выходе спектра-анализатора пропорциональна относительному времени пребывания кривойf (t) в его полосеΔF.

Следовательно, энергетический спектр ЧМ помехи при линейной модуляционной характеристике по форме совпадает с плотностью вероятностей модулирующего процесса.

Это свойство ЧМ может быть использовано для формирования спектра помехи любой наперед заданной формы. Для этого достаточно сформировать нужную форму w(u) модулирующего колебания.

Пусть, например, требуется получить энергетический спектр помехи равномерным. Тогда на вход ГВЧ надо подвести шум с равномерным распределением напряжения. Однако в природе чаще встречается шум с нормальным распределением, поэтому следует привести нормальный шум к равномерному, что легко выполнить путем безынерционного нелинейного преобразования. Из теории вероятностей известно:

(16.97)

Если:

, а при, то

,

откуда

,(16.98)

где ,.

Процесс преобразования показан на рис. 16.7. Исходный процессx(t) имеет распределениеw(x). Свойствоу(х) таково, что любые выбросыx(t) уменьшаются и «мягко» ограничиваются, так что распределение, показанное на рис.16.7,г становится равномерным в диапазонеDy.

Таким образом, для получения шумовой широкополосной ЧМ помехи с равномерным спектром необходим модулятор (рис. 16.8) передатчика помех, состоящий из ПИШ, нелинейного преобразователя шума к равномерному (НПШ) и мощного усилителя мощности (УМ) обеспечивающего частотную модуляцию ГВЧ.

а) – кривая преобразования; б) – исходный процесс; в) – плотность распределения вероятности исходного процесса; г) – плотность распределения вероятности конечного процесса

Рисунок 16.48 – Процесс преобразования

ПИШ – первичный источник шума; НПШ – нелинейный преобразователь шума; УМ – усилитель мощности;

Рисунок 16.49 – Модулятор передатчика помех

Особенности импульсной модуляции шумом

Импульсная последовательность может модулироваться по различным параметрам, соответственно выделяют модуляцию: по длительности импульсов (ДИМ), времяимпульсную (ВИМ), амплитудно-импульсную (АИМ).

Как правило, первичным источником модулирующего напряжения является генератор шума. Поэтому часто импульсно-модулированную помеху называют хаотической импульсной помехой (ХИП). Эффективной такая помеха становится при малой скважности (в пределах 2 – 5).

Способы генерации ХИП сводятся в основном к ограничению шума и генерированию импульсов в момент достижения шумом уровня ограничения, обеспечиваемого с помощью ограничителя (О).

Для повышения эффективности помехи применяют модуляцию шумом по двум параметрам, например по времени и амплитуде, а для исключения зависимости между модуляцией по времени и амплитуде, ставятся обычно два независимых генератора шума. Схемы импульсных модуляторов показаны на рис. 16.9 (на рис.16.9,а– модулятор ХИП типа ВИМ, а на рис.16.9,б – модулятор ХИП типа АИМ – ВИМ).

ГШ – генератор шума; О – ограничитель; ГИ – генератор импульсов; УМ – усилитель мощности;

Рисунок 16.50 – Модулятор ХИП