ГЛАВА 6. О перспективах развития радиопередающих устройств.

Дата: 2025-05-25; Просмотры: 4

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Основное направление развития РПУ должно быть направлено на:

-увеличение помехоустойчивости сигнала информации;

-увеличение разрешающей способности;

-повышение помехозащищённости.

Кроме того необходимости обратить особое внимание на себестоимость разработки и на

повышение технического уровня разработки, для чего необходимо:

а) предусмотреть машинное проектирование блоков и отдельных узлов;

б) провести технологические и конструктивные усовершенствования.

Существующие каналы радиосвязи имеют целый ряд существенных недостатков, т.к. не высокая пропускная способность, значительное время ожидания освободившихся каналов, низкое качество, высокая зависимость от состояния атмосферы . Использование для связи ИСЗ - активных ретрансляторов открывает широкие перспективы создания высококачественных линий связи, режим работы которых не будут зависить от условий изменения окружающей среды.

Несмотря на то, что стоимость эксплуатации спутниковых систем связи в середине 80-х годов в 2-3 раза превышает стоимость других видов связи (по оценке США), они будут

характеризоваться значительно более высокими параметрами: энергоёмкостью надежностью и доступностью.

Расчетный срок активного существования ИСЗ на орбите -5 лет,

Приемно-передающий тракт должен обеспечивать следующие функции:

-выбор типа сообщения;

-выбор объекта опознавания;

-задание кода, определяющего район нахождения объекта;

-присвоение категории сообщения и т.д.

Для обеспечения передачи достоверной информации и работы РПУ диапазоне волн на разных частотах необходимо применить кварцевую стабилизацию частоты.

Известно₅ что кварцевая стабилизация частоты обеспечивает в радиолинии такие параметры, как достоверность номинального значения частоты (в частности обеспечивается бесподстроечная связь); возможность автоматического и дистанционного управления перестройкой частот радиолинии; возможность сужения полосы пропускания радиотракта, что повышает помехозащищенность и улучшает параметры линии.

Однако, насыщенность диапазона радиосредствами различного назначения приводит к тому, что даже относительно высокая помехозащищенность, обеспечиваемая применением кварцевой стабилизацией частоты, оказывается недостаточной для достижения хорошей электромагнитной совместимости. Поэтому, для « отстройки» от помех, радиосредства должны работать в некотором диапазоне частот. Сочетание требований кварцевой стабилизации частоты и частотной диапазонности радиосредств приводит к необходимости использования диапазонно - кварцевой стабилизации частоты.

Поэтому РПУ должно содержать усилитель мощности, обеспечивающий необходимый уровень сигнала в диапазоне частот и ВЧ- конвертор, преобразующий сигналы промежуточной частоты в сигналы нужного диапазона. Конвертор собирается по схеме двойного преобразования несущей частоты. Первое преобразование частоты осуществляется с помощью генератора, возбуждаемого сигналами синтезатора частот и обеспечивающего на своем выходе любую из п - фиксированных частот, определяющих канал связи. Второе преобразование частоты производится с помощью гетеродина. Сигнал с выхода конвертера поступает на вход усилителя (твердотельного). Уровень выходной мощности сигнала должен изменяться в диапазоне 20 дБ для снижения уровня составляющей внутренней модуляции, возникающей в ретрансляторе на борту ИСЗ. Синтезатор частот генерирует сигналы, необходимые для настройки несущей частоты. Кроме того, сигналы синтезатора используются в повышающем и понижающем конверторах и модемах. Основным элементом является высокостабильный кварцевый генератор. Одновременно с возбуждением синусоидальных колебаний с фиксированными частотами, синтезатор, имеющий программное управление, позволяет получить на своих выходах любую из n-частот, разнесенных между собой на определенный интервал. Быстрая перестройка частоты необходима для одновременного приема и передачи любых двух сообщений по каналам связи.

Один модем ЧМ сигналов может быть использован для любой пары из N принимаемых или передаваемых частот. Максимальная девиация частоты сигналов как в режиме приема, так в режиме передачи должно быть меньше разноса между частотами синтезатора: при отношении уровня несущей к шумам 43,4 дБ-Гц и частотном сдвиге 600 Гц вероятность появления одиночной ошибки не превысит 10~⁵.

Существенным недостатком ФМ сигналов является чувствительность согласованных с ними фильтров к изменению допплеровского сдвига частоты. Так, при обработке 32-разрядной кодированной последовательности изменения центральной частоты на 175 кГц приводит к снижению отношения сигнал/шум примерно 3 дБ. Поэтому при наличии значительного допплеровского сдвига следует применять линейную частотную модуляцию (ЛЧМ). Простота генерации таких сигналов, их нечувствительность к допплеровским сдвигам частоты обеспечивает их большую популярность у разработчиков РЛС. С ЛЧМ уменьшается сложность аппаратуры в тракте обработки по сравнению с фазоманипулированными сигналами и легче осуществляется подавление боковых лепестков. Надо заметить ЛЧМ сигнал имеет следующие недостатки:

-при обработке информации с помощью ЛЧМ сигнала по одному импульсу параметры цели не могут быть измерены;

-цели, находящиеся на одинаковых экстраполированных дальностях не разрешаются.

Однако, многие преимущества, свойств ЛЧМ колебания, сохраняются, если в качестве зондирующего импульса используется ЛЧМ сигнал, состоящий из ряда элементарных ЛЧМ колебаний, у которых начальная фаза ₀ частота f₀, скорость изменения Vi частоты и длительность каждого элемента τ_i в общем случае неодинаковы. Такие сигналы в соответствующих частных случаях включают в себя как подклассы фазоманипулированные, частотноманипулированные и ЛЧМ сигналы. Простейшими частными случаями составных сигналов являются колебания с V-образной и М-образной ЧМ. Применение таких сигналов дает возможность за время одной посылки определять и однозначно разрешать достаточно большое количество целей по дальности и скорости в присутствии помех.

Упрощенная схема процессора для сигнала с М-образной ЧМ и огибающей прямоугольной формы приведена на рисунке.

Рис.6.1.

Фильтры, стоящие в каждом из четырех каналов, согласованы с соответствующими сегментами ЧМ. Каждый из согласованных фильтров содержит дисперсионные линии задержки (ДЛЗ) и фиксированные ЛЗ, подобранные так, чтобы отклики всех этих фильтров во времени совпадали. Если необходимо измерять допплеровскую частоту, то в каждый канал ставится набор фиксированных ЛЗ перекрывающих интересующий нас диапазон допплеровских частот. После попарного перемножения откликов согласованных фильтров результирующий отклик в значительной степени лишен неопределенности. Число каналов в предлагаемом процессоре равно числу сегментов ЛЧМ.

РЛС с ЛЧМ используются не только для обнаружения, оценки параметров объекта и слижения за ним, но и для определения размера и конфигурации, скорости вращения вокруг центра тяжести и оси вращения. По изменению скорости вращения спускаемого объекта и его вхождения в плотные слои атмосферы может быть определена его масса. Эти задачи могут быть решены с помощью широкополосных сигналов с полосой в несколько мегагерц. При увеличении девиации до нескольких сот МГц и базы до 10° появляется серьезные трудности. Поэтому в передатчиках и приемниках для этой цели широко используются активные методы формирования сигналов с помощью управляемых по частоте генераторов с системами автоподстройки ЛЧМ. Линейность изменения частоты при активном методе формирования широкополосных сигналов должна быть чрезвычайно высокой.

Устройства формирования ЛЧМ колебаний с малыми отклонениями от заданного закона изменения модуляции можно разделить на три класса:

1. Управляемые по частоте генераторы или фазовые модуляторы с линейной модуляционной характеристикой.

2. Синтезаторы ЛЧМ колебаний, в которых с заданной точностью формируется либо линейный закон изменения частоты, либо квадратичный закон изменения фазы, либо, непосредственно напряжение вида U(t)= U cos(f_ot + 0,5Ψ₀t2);

3. Системы прецизионного формирования ЛЧМ колебаний с измерением отклонений от заданного закона модуляции и автоподстройкой скорости ЧМ.

Для аппроксимации квадратичного закона ФМ используется дискретно - переключаемый фазовращатель.

180 90 45 22 11 ⁰ 15

Бинарный счётчик

Генератор кода

Кварцевый генератор

Колебание с частотой f падается на пятиразрядный фазовращатель, в котором младшему разряду соответствует сдвиг фазы на 11°15" . При желании число разрядов может быть увеличено. Управление разрядами фазовращателем осуществляется от бинарного счетчика. При выбранном значении младшего разряда <р= 1 !°15" число переключений в каждом последующем интервале времени Т= возрастает на два. Девиация частоты и скорость перестройки ограничены быстродействием счетчика и временем переключения элементов фазовращателя.

Схемы с линией задержки широко применяются для стабилизации частоты и скорости ее изменения. Возможность стабилизации частоты в схеме с линией задержки объясняется тем, что при перемножении частоты, на пример в смесителе, колебания U(t)=U cos ωt с его задержанной на время т копией выходное напряжение пропорционально cosωt. Такую схему можно рассматривать как частотный дискриминатор с периодической характеристикой U(ω), что и позволяет применять ее как для стабилизации сетки частот, так для измерений параметров ЛЧМ. Если закон изменения частоты f(t)=f + К t линейный, то разность частот f (t)= f(t) –f(t-τ)=kt постоянная величина. Подавая колебания этой разностной частоты f = k t на частотный детектор, настроенный на эту частоту, можно получить сигнал ошибки, пропорциональный отклонению скорости ЧМ от заданной.

В любой скрытной системе связи желательно иметь некоторую степень программируемости формы колебания. Лучше всего, если иметь возможность управлять электронным способом отдельными параметрами формы колебания, например, программирование, кодирования последовательности элементарных посылок. Трудность реализации таких программируемых форм колебаний заключается не столько в генерировании строчных форм колебания в передатчике сколько в конструировании свертывающих согласованных фильтров в приемнике. Желательность использования таких фильтров вызывается тем, что в большинстве случаев при передаче информации пачками импульсов нельзя рассчитывать на точное знание момента прихода сигнала. С использованием приборов на поверхностных акустических волнах (ПАВ) облегчает решение ряда задач, предъявляемых к разработчикам аппаратуры. В передатчике для генерирования кодированных блоков используются устройства поверхностной волны. В приемнике, для согласованной фильтрации каждого кодированного блока, используют сопряженные устройства на поверхностной волне.

Техника ПАВ преодолевает путь разработки от первых экспериментальных результатов до создания удовлетворяющих самим строгим современным требованиям к приборам и устройствам для разнообразных радиоэлектронных систем. Однако, медленное внедрение элементной базы ПАВ в сегодняшних разработках объясняется тем, что техника ПАВ с её многообещающими перспективами не получила признание широкого круга специалистов, связанных с разработкой радиоэлектронной аппаратуры. Новый метод обработки сигналов с помощью ультразвуковых поверхностных волн основывается на том, что в кристаллах можно получить добротность Q порядка 1000000, а их скорость распространения сравнительно мала (3 км/с). Частотная характеристика, акустической цепи характеризуется зависимостью вида sinx/x, где x=N ( ₀ – / , (N-число пар электронов в решетке, ω - средняя частота колебаний в решетке). Ширина полосы пропускания на уровне 3 дБ приблизительно равна 7f₀ /8N.

Первой важной областью применения ПАВ является синтез фильтров с заданными характеристиками. Характеристики фильтров могут быть заданы либо во временной. либо в частотной областях в виде импульсной переходной характеристики или в виде передаточной функции.

Известно, что для получения максимального отношений сигнал/шум сигнал на входе фильтра должна обладать большим произведением длительности на ширину спектра. Импульс с ЛЧМ и ФМ представляют собой типичные примеры сигналов с большим значением произведения длительности сигнала на их полосу. Такие сигналы удобны для применения в радиолокации и системы связи, где накладываются ограничения на величину импульсной мощности сигнала. В радиолокации такие сигналы позволяют улучшить распознавание и разрешение целей в присутствии шумов за счет снижения общего числа разрешаемых целей в единицу времени, а в системах связи улучшается соотношение сигнал/шум за счет скорости передачи сообщений.

Метод синтеза фильтра для ЛЧМ сигнала требует, чтобы число электродов в преобразователе было равно 2f₀ Т, где f₀- средняя частота входного сигнала.

Для фазоманипулированного сигнала имеющего п элементов , каждый длительностью т ширина спектра равна ΔF=1/Т , полная длительность сигнала T=nτ, а произведение составляет базу сигнала Т*F =В.

Согласованная фильтрация сложных широкополосных сигналов Т*F»1 успешно реализуется с помощью фильтров ПАВ, представляющих собой совокупность многоотводной линии задержки (МЛЗ), фазовращателей и сумматора. Для фазомодулированного сигнала с бинарной (0; ) модуляцией фазы все три операции: дискретная задержка, фазирование задержанных сигналов в соответствии с заданным кодом и суммирование осуществляется в едином ПАВ блоке.

Универсальная ультразвуковая линия задержки на ПАВ пригодна для работы в режиме согласованной фильтрации с ФМ, так и с ЧМ сигналами. В сравнительно простых малогабаритных радиотехнических системах, эксплуатируемых обычно на подвижных объектах, для кодирования (генерации) зондирующего сигнала и обработки отраженного сигнала технически оправдано и экономически выгодно применение фильтров ПАВ. Устройство передающей части при этом существенно упрощается. В более сложных системах задача генерации зондирующих сигналов реже решается с помощью фильтров ПАВ. Это связано с возможными искажениями генерируемого на промежуточной частоте сигнала при переносе последнего на несущую частоту и усиления его по мощности.

Однако, при синтезе согласованных фильтров применение ПАВ технически и экономически оправдано. Максимальная ширина полосы фильтра определяется его центральной частотой f_Q которая ограничивается технологическими возможностями. Относительная полоса пропускания имеет теоретический предел порядка 100%. Длительность отклика фильтра т зависит от достижимой задержки. Техника ПАВ позволяет влиять на амплитуду и фазу любой спектральной компоненты обрабатываемого сигнала. Снижение уровня боковых лепестков производится путем аподизации импульсного отклика, либо предыскажением дисперсионной характеристики, основанной на математической операции в адаптивном фильтре. Фм сигнал формируется чаще всего с помощью диодных переключателей или полевых транзисторов , расположенных в непосредственной близости от выводов МЛЗ.

Логическим представляется переход от адаптивного или программируемого фильтра сложных сигналов к устройствам свертки на ПАВ, использующим параметрическое взаимодействие акустических колебаний. В таком устройстве может осуществляться обработка сигналов с произвольным законом модуляции. При этом должно выполняться два условия: база сигнала не должна превышать зону взаимодействия конвертора и его полосу - полосу преобразователей ПАВ.

Наряду со сверткой сигналов параметрические устройства ПАВ могут реализовать и другие функциональные операции: управляемую задержку, временную инверсию, изменение передаточной функции. Сдерживающим фактором широкого применения параметрических устройств ПАВ являются слишком низкие уровни выходных сигналов конвольверов, а также трудности синхронизации входного и опорного сигналов.

Схема радиопередающего устройства с ЛЧМ или ФМ сигналом на ПАВ может быть представлена в следующем виде:

Генератор кодированных последовательностей на ПАВ с ЛЧМ содержит дисперсионный пьезоэлектрический преобразователь с переменными расстояниями между парными штырями, благодаря чему отдельные участки преобразователя чувствительны к различным частотам. ЧМ сигнал в таком генераторе создается при возбуждении преобразователя коротким импульсом. Отдельные частотные составляющие возбуждающие импульсы должны иметь мощность, достаточную для их преобразования в акустические колебания соответствующей частоты. Результирующий сигнал, частоты которого меняется линейно за время длительности импульса, преобразуется в ЧМ электрический сигнал с помощью исходного не дисперсионного преобразователя (с равномерным расположением электродов-штырей). По мнению разработчиков (США), такое широкополосное устройство обработки информации на ПАВ может эффективно использоваться в РЛС систем ПРО.

Усовершенствованные генераторы (корреляторы) на ПАВ способны работать с кодами, изменяющимися в соответствии с требованиями боевой обстановки, могут использоваться в широкополосных системах скрытной связи со многими объектами (системы УВД, опознавания, навигации, управления беспилотными самолетами). Селекция абонентов в этих системах производится по их индивидуальному коду.

Генераторы (корреляторы) на ПАВ со сменными кодами могут быть: программируемая многоотводная линия (МЛЗ) с переключением отводов; управляемый коммутируемый коррелятор в гибридном толстоплёночном или тонкоплёночном исполнении. Каждый из отводов генератора соединяется с СВЧ шиной через устройство управления. В качестве переключательных элементов используют p-i-n диоды, а также диоды МОП матрицы. На основе указанных переключательных элементов были созданы перестраиваемые корреляторы и схемы управления, позволяющие изменять коды длительностью около 100 разрядов за время равное 1 мкс.

При массовом производстве устройств на ПАВ, изготовленных по технологии БИС с диодами или транзисторами МОП структур, будут иметь низкую стоимость.

Предполагается, что генератор передающего устройства и дискриминатор приемника на ПАВ для системы двухсторонней радиосвязи связи смогут изготовляться на общей кварцевой подложке.

Поскольку, в настоящее время, освоено изготовление устройств на ПАВ, работающих в диапазоне частот 50=500 МГц, то средства обработки информации на базе таких устройств строятся по принципу двойного преобразования частоты. Сигналы СВЧ диапазона понижаются до частоты устройства на ПАВ (на которых осуществляется обработка сигнала) и затем путем вторичного преобразования повышаются до исходной частоты сигнала. Даже такой многоступенчатый метод обработки сигналов обладает существенными преимуществами по сравнению с применяющимися методами обработки СВЧ сигналов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Основы радиоэлектроники и связи: учебное пособие для вузов. В.И. Каганов, В.К. Битюков – М: Горячая линия – Телеком, 2007. -542 с

2. Радиотехнические устройства и элементы радиосистем: учебное пособие для вузов. В.А. Каплун, Ю.А. Браммер, С.П. Лохова, И.В. Шостак – М: Высшая школа, 2002. – 294 с.

3. Радиопередающие устройства: учебн. Для вузов/ В. В. Шахгильдян, В. Б. Козырев и др. /Под ред. В. В. Шахгильдяна – М.: Радио и связь, 2003- 560 с. Ил. – 48 экз.

4. Каганов В. И. Радиопередающие устройства: учебн. – М.: ИРПО «Академия, 2002.-288 с. Ил. – 17 экз.

5. Проектирование радиопередатчиков: учебн. Пособие /Под ред. В. В. Шахгильдяна – М.: Радио и связь, 2002-358 с. – 11 экз.

6. Каганов В. И. СВЧ полупроводниковые передатчики – М.: Радио и связь, 1981-400 с. Ил. – 9 экз.

8. Ямпурин Н. П. , Болознев В. В., Сафонова Е. В., Жалнин Е. Б. Формирование прецизионных частот и сигналов: учебное пособие – НГТУ, Н. Новгород, 2004 – 187 с.ил. – 145 экз.

9. Проектирование радиопередающих устройств: учебное пособие/ под ред. Шахгильдяна В. В. – М.: Радио и связь, 1993 – 512 с. Ил. – 19 экз.

10 Ворона В.А. Радиопередающие устройства. Основы теории и расчета: Учебное пособие для вузов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007 – 384 с.: ил. – 1 экз.

С О Д Е Р Ж А Н И Е

Введение

Глава 1

Общее положение

1.1. Амплитудно-модулированные колебания