3.4 Принципи побудови систем формування частотно-модульованих зондуючих сигналів

Широкосмуговими (складними) сигналами називають сигнали, ширина спектру яких значно перевищує величину 1/tи.

Основними їх перевагами є: можливість значного підвищення енергії зондуючого імпульсу за рахунок збільшення його тривалості при збереженні високої роздільної здатності і точності вимірювання дальності.

Для розширення спектру сигналу можна використовувати модуляцію високочастотних коливань в межах імпульсу: амплітудну, частотну, амплітудно-частотну. З погляду оптимальності енергетичного режиму роботи передавача найприйнятнішою є частотна (фазова) модуляція.

3.4.1 Види частотної модуляції і їх характеристика

У РЛС з частотно-модульованим сигналом можливе застосування зондуючих імпульсів з лінійною частотною модуляцією (ЛЧМ), частотною модуляцією по V-образному закону, нелінійним законом зміни частоти (НЧМ), частотною маніпуляцією. Розглянемо ці сигнали.

Сигнали з ЛЧМ. Миттєва частота заповнення таких сигналів міняється по лінійному закону.

ЛЧМ радіоімпульс (рис.3.19,а) описується виразом

Uо·cos (2p·fо·t + p·Df·t2/tи) |t| Ј tи/2

u(t)= 0 |t| > tи/2

де Uо - амплітуда, fо - середня частота ЛЧМ сигналу; tи - тривалість, Df - девіація частоти ЛЧМ сигналу.

Миттєва частота імпульсу f(t) змінюється по лінійному закону (рис.3.19,б). Насправді

В межах імпульсу частота змінюється від fо - Df/2 до fо+ Df/2.

АЧС ЛЧМ сигналу описується через так звані інтеграли Френеля і носить осцилюючий характер (рис.3.19,в). При великій базі сигналу n = tи·Df >> 1 АЧС можна грубо апроксимувати прямокутником шириною Df.

З аналізу тимчасового і частотного опису сигналу виходить, що можна незалежно здійснювати вибір тривалості імпульсу tи і ширини АЧС Пс = Df. Перше дозволяє забезпечити необхідну енергію сигналу, а друге - необхідну роздільну здатність по дальності.

Вимоги до стабільності частоти при формуванні ЛЧМ сигналу на 2-3 порядки вищі, ніж при формуванні одиночного простого радіоімпульсу.

а) б) в)

г)

Рис.3.19. ЛЧМ сигнал і формування сигналів з частотною модуляцією по V-образному закону.

Тривалість ЛЧМ імпульсів складає звичайно одиниці мкс - одиниці мс, а девіація частоти Df вибирається в межах від сотень кілогерц до сотень мегагерц. Наприклад, в РЛС 22Ж6М tи=30 мкс, а Df може приймати значення 4,5 Мгц і 75 Мгц.

Гідність ЛЧМ імпульсів - порівняльна простота технічної реалізації пристроїв, що забезпечують їх формування і оптимальну фільтрацію.

Недоліками сигналів з ЛЧМ є:

1. Сильний взаємний зв'язок параметрів сигналу, характеризуючих дальність і доплеровські зрушення, що приводить до помилки вимірювання дальності при невідомій швидкості мети і навпаки.

2. Поява додаткових втрат за рахунок розузгодження частотної характеристики лінійної частини приймача і спектру відображеного сигналу через необхідність використовування вагової обробки для зменшення рівня бічних пелюсток стислого імпульсу до прийнятного рівня.

У РЛС виявлення з ЛЧМ імпульсом «швидкісна» помилка вимірювання дальності виникає з наступної причини. Доплеровський зсув частоти відображеного сигналу викликає часове зміщення вихідного імпульсу оптимального фільтру (стислого імпульсу).

Час зсуву (запізнювання) Dt відображеного сигналу рівний

Dt = Fä·tè/Ïè = 2Vr·tè/l·Ïè,

де Пі - ширина спектру ЛЧМ імпульсу (при великих значеннях твору Пи.tи ширина спектру ЛЧМ імпульсу приблизно рівна девіації частоти Df).

Помилка визначення часу запізнювання приводить до помилки вимірювання дальності

DR = c·Dt/2 = c·tè·Vr/l·Ïè.

У РЛС, призначених для виявлення засобів повітряного нападу цією помилкою в більшості випадків можна нехтувати. Рассчети для РЛС 22Ж6М показують, що при tи = 30 мкс, V = 1000 м/с, l = 0,2 м, Пі = 4,5 Мгц величина DR складає приблизно 10 метрів.

Сигнали з частотною модуляцією по V-образному закону. Принцип формування таких сигналів ілюструється рис.3.19,г.

Гідністю їх порівняно з ЛЧМ імпульсами є можливість виключення швидкісної помилки у зв'язку з симетричним характером модуляційної характеристики. Недоліком є деяке ускладнення пристроїв формування і обробки сигналів.

Сигнали з НЧМ. Використовування нелінійних законів зміни частоти в межах імпульсу дозволяє одержати шумоподібний сигнал з тілом невизначеності близьким формою до ідеального. При цьому можна уникнути втрат у відношенні сигнал-шум, пов'язаних з ваговою обробкою ЛЧМ. Недоліками сигналів з НЧМ є:

1. Ускладнення РЛС через можливу необхідність використовування багатоканальної обробки відображених від цілей сигналів.

2. Недостатній рівень розробки пристроїв для генерації сигналів з НЧМ.

3. Необхідність підбору і розробки спеціального закону частотної модуляції в тих випадках, коли вимагається забезпечити заданий рівень бічних пелюсток.

Внаслідок великої крутизни головних перетинів тіла невизначеності у області основного типу сигнали з нелінійною частотною модуляцією корисні в системах супроводу, де значення дальності і радіальної швидкості мети приблизно відомі.

Сигнали з НЧМ використовуються в режимі огляду в РЛС 22Ж6М.

Сигнали з частотною маніпуляцією. Подібні сигнали формуються шляхом стрибкоподібної зміни частоти в межах зондуючого імпульсу. Останній складається з послідовності N імпульсів (елементів) тривалості tэл, причому несуча частота кожного імпульсу вибирається випадковим або детермінованим чином з деякого набору частот, перекриваючого робочий діапазон РЛС.

У тому випадку, коли зсув по частоті між сусідніми парціальними імпульсами назад їх тривалості (Df = 1/tэл), принципово можливе отримання коефіцієнта стиснення, рівного N2. Проте при цьому, з одного боку, різко зростають вимоги до стабільності фазових характеристик систем формування і обробки сигналів, а, з іншою, виняткова можливість отримання великої ширини спектру через обмеженість інтервалу когерентності по частоті.

На практиці, як правило, знаходять застосування сигнали з частотним рознесенням парціальних імпульсів Df >> 1/tэл (так звані багаточастотні сигнали). Кожен відображений парціальний імпульс при цьому обробляється своїм частотним каналом, виходи, яких об'єднуються на відеочастоті (РЛС 19Ж6,5Н84А,64Ж6).

Розглянемо докладніше принципи побудови систем формування зондуючих сигналів з лінійною частотною модуляцією.