Содержание к диссертации
Введение 4
Глава 1. Анализ факторов, ограничивающих эффективность 11
диаграммообразования ЦАР
Глава 2. Погрешности, вносимые дестабилизирующими факторами при 18 оценке количественных и качественных характеристик выходного сигнала ЦАР.
Исходные предпосылки 18
Определение выходного сигнала ЦАР 22
Анализ дестабилизирующих факторов, ограничивающих ДЦ 26
Оценка влияния неидентичности частотных характеристик и 31 пульсаций АЧХ в полосе пропускания приемных каналов ЦАР на выходную мощность сигнала.
Оценка влияния разброса квадратур, при кодировании на 38 видеочастоте
Оценка погрешностей, связанных с наличием конструктивного 43 шума
Оценка влияния джиттера времени на параметры выходного сигнала 46 при аналого-цифровом преобразовании на видео и промежуточной частотах.
ГлаваЗ. Коррекция «межканального» рассогласования приемных 60 каналов в ЦАР.
3.1 Алгоритм и метод коррекции «межканального» рассогласования 60
приемных каналов
3.2 Уравнения для ошибок «межканального» рассогласования 64
3.3 Оценка дисперсии «межканального» рассогласования от объема 71
выборок
Глава 4. Экспериментальные исследования аналого-цифрового 74 преобразования на видео- и на промежуточной частотах
Экспериментальное исследование разбросов усиления приемных 74 каналов ЦАР
Сравнение эффективности кодирования на видео и промежуточной 80 частоте
4.3 Цифровое формирование квадратур при аналого-цифровом 82
преобразовании на промежуточной частоте с помощью DDC и ПЛИС.
Оценка влияния разброса параметров гетеродинных и опорных 89 напряжений в ЦАР.
Результаты моделирования преобразования спектра ЛЧМ сигнала 96 промежуточной частоты на видеочастоту с использованием DDC. Заключение 100 Библиография 104 Приложение 1 ПО Приложение 2 118
Введение к работе
Общая характеристика проблемы
Развитие и совершенствование радиолокационных систем в последние годы неизменно сопровождается существенным возрастанием плотности электромагнитного окружения радиолокационных станций (РЛС), что в значительной степени связано с количественным ростом случайных и преднамеренных помех. В связи с этим обстоятельством от действующих и перспективных систем требуется еще больше информативности и конкретности. Одним из путей достижения этой цели является развитие многофункциональных радиолокационных систем с использованием фазированных антенных решеток (ФАР).
Характерной тенденцией современных РЛС с ФАР является постепенный переход к использованию цифровых ФАР (ЦАР) [1,2]. В этом случае для формирования диаграммы направленности (ДН) применяются цифровые устройства обработки сигналов, использующие информацию об амплитуде и фазе сигналов, поступающих с выходов множества приемных каналов, причем каждое из таких колебаний характеризует различные части апертуры антенной решетки или направления различных лучей многолучевой антенны. Следует отметить, что в современных решетках с цифровым диаграммообразованием принятые сигналы преобразуются в цифровую форму уже на уровне элемента излучателя антенны. Такой подход позволяет сохранить полную информацию, имеющуюся в апертуре в противоположность аналоговому способу формирования ДН, который приводит лишь к взвешиванию суммы этих сигналов, что в конечном итоге уменьшает размерность сигналов до 1 [1,3-10].
Более высокие уровни информативности, связанные с гибкостью цифровой обработки, обеспечивает разработчику и потребителю ряд существенных преимуществ по сравнению с традиционными аналоговыми решениями. К таким преимуществам можно отнести:
- стабильность параметров,
- возможность оперативного изменения характеристик и параметров
системы за счет смены программного обеспечения,
- простота обеспечения идентичности каналов в многоканальных
системах обработки,
- схемотехнические упрощения и, как следствие, снижение
массогабаритных характеристик аппаратуры, что неизменно приведет к
существенному повышению ее надежности.
В общем случае антенная решетка представляет собой совокупность излучателей сигнала, выходы которых суммируются, образуя выходной сигнал. ДН такой решетки имеет максимум в направлении по нормали к раскрыву антенны. Введение в тракт излучателей фазовращателей, которые компенсируют набеги фаз при приеме колебаний с направлений, отличающихся от нормали, позволяет при соответствующем выборе сдвигов фаз сфазировать ДН в заданном наперед направлении. Обычно сдвиги фаз соответствуют плоскому фронту волны, т.е. линейному набегу фаз вдоль раскрыва антенны. Система фазирования с помощью регулируемых весовых коэффициентов позволяет изменять суммируемые сигналы как по фазе, так и по амплитуде. Очевидно, что по какому алгоритму ни были сфазированы и взвешены сигналы, всегда существует некоторое рассогласование амплитудно-частотных (АЧХ) и фазочастотных характеристик (ФЧХ) приемных каналов, что обязательно приводит к снижению эффективности цифрового диаграммообразования, даже несмотря на такую процедуру как калибровка, призванная потенциально обеспечивать формирование высококачественной ДН с низкими боковыми лепестками (так как в процессе работы в реальных условиях происходит неизбежное рассогласование каналов по амплитуде и фазе) [11-18].
Для обеспечения требуемых норм электромагнитной совместимости в настоящее время в каналах обработки сигналов применяются фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Эти фильтры в полосе пропускания могут иметь значительную неравномерность АЧХ и ФЧХ в
полосе пропускания, влияние которой на эффективность суммирования еще не исследованы.
В решетках с цифровым диаграммообразованием источником ошибок могут служить устройства аналого-цифрового преобразования (АЦП). При использовании АЦП на видеочастоте существенные ошибки могут внести разброс по амплитуде и по фазе синфазных и квадратурных составляющих, ошибки ортогональности. При применении АЦП на промежуточной частоте (ПЧ) имеют место разбросы моментов кодирования (явление джиттера который определяется как среднеквадратичное отклонение (СКО) положения во времени фронта тактового сигнала относительно ожидаемого значения), что существенно влияет на эффект суммирования сигналов [19-21].
Стремительное развитие микроэлектронной цифровой и аналоговой элементной базы и появление новых компонентов позволяет по иному подойти к разработке и конструированию приемных каналов применительно к ЦАР.
Потенциальные характеристики и возможности цифрового диаграммообразования весьма велики, однако на практике в полной мере пока не реализованы. В практической деятельности важно знать, в какой мере эти потенциальные возможности реализуемы и что ограничивает возможность их реализации.
К настоящему времени решением этих задач занимались ряд известных ученых и специалистов, например, Бартон П., Ратынский М.В., Монзиго Р.А., Миллер Т.У., Воскресенский Д.И., Канащенков А.И. В той или иной мере анализ их работ изложен в первом разделе диссертации. Однако, не смотря на проведенные исследования, некоторые вопросы еще далеки до своего полного решения.
Все вышесказанное определяет актуальность данной работы, направленной на обеспечение высокой эффективности функционирования устройств цифрового диаграммообразования существующих и перспективных радиолокационных систем различного назначения.
Целью диссертационной работы является определение основных причин, ограничивающих динамический диапазон радиолокационных систем с ЦАР, и разработка научно-обоснованных технических решений, направленных на повышение эффективности цифрового диаграммообразования.
Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:
- определение количественных оценок характеризующих
неидентичность приемных каналов, содержащих согласованные фильтры на
ПАВ и анализ влияния этой неидентичности на динамический диапазон (ДД),
-теоретическое и экспериментальное исследование характеристик аналого-цифрового преобразования на видео- и промежуточной частоте,
исследование влияния джиттера времени при кодировании на промежуточной частоте,
проанализировать причины возникновения так называемых конструктивных шумов и оценить степень влияния их на динамический диапазон,
разработка алгоритмов амплитудной и фазовой коррекции в приемных каналах ЦФАР,
исследование схем формирования квадратур (с помощью специального цифрового процессора DDC и программируемой интегральной логической схемы),
экспериментальные исследования устройств цифрового диаграммообразования с использованием современной элементной базы,
разработка стенда для проведения исследовательских работ современными методами аппаратуры создаваемой для ЦАР.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- проведен анализ и впервые осуществлена систематизация факторов,
ограничивающих эффективность диаграммообразования ЦАР,
впервые проведен анализ влияния неравномерности и пульсаций ЧХ фильтров на ПАВ в полосе пропускания на выходную мощность принятого сигнала,
разработана новая методика коррекции «межканального» рассогласования приемных каналов в ЦАР, использующая шумовой пилот-сигнал, и предложен алгоритм, позволяющий реализовать на практике данную методику,
была разработана программная модель преобразования спектра ЛЧМ сигнала промежуточной частоты на видеочастоту с использованием DDC, с помощью которой было проведено исследование этого преобразования.
На защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы:
при использовании 30 приемных каналов ЦАР потенциальный ДД составляет 90 дБ. С учетом устранимых помех ДД уменьшается до 73 дБ при аналогичном количестве приемных каналов.
качество формирования квадратур на видеочастоте уступает формированию квадратур на промежуточной частоте, ДД во втором случает на 10 дБ больше и составляет 81 дБ.
конструктивный шум имеет нестационарный характер и слабо коррелирован (менее 0,3), что позволяет накапливать сигнал в ЦФ при аналого-цифровом преобразовании на ПЧ, при изменении СКО тактовых импульсов от 10 до 20 пс статистические характеристики конструктивного шума практически не изменяются.
дисперсия погрешности, вызванная джиттером времени линейно зависит от частоты входного сигнала и частоты дискретизации. При этом ДД составляет 65 дБ для входного сигнала на частоте 30 МГц при СКО 3 пс.
- для коррекции «межканального» рассогласования возможно
использование в качестве пилот-сигнала шумового сигнала - собственного
шума приемного тракта.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
полученные в диссертационной работе результаты анализа факторов, влияющих на эффективность цифрового диаграммообразования ЦАР использованы при разработке новых РЛС, использующих ЦАР, (внедрено на предприятии ОАО «ВНИИРТ»,
предложенная методика коррекции «межканального» рассогласования позволит, это позволяет упростить построение блока обработки сигналов и повысить производительность его работы и соответственно, упростить построение цифровой ЦАР РЛС.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается:
соответствием основных теоретических результатов экспериментальным,
корректным применением математического аппарата,
- метрологической поверкой используемой аппаратуры и стендов.
Основные результаты работы внедрены на предприятие ОАО
«ВНИИРТ».
Результаты работы использованы в учебном процессе на кафедре радиоприемных устройств и базовой кафедре 335 МИРЭА при разработке лекционных курсов и лабораторного практикума по дисциплинам «Радиоприемные устройства», «Цифровые устройства и микропроцессоры», «Цифровая обработка сигналов в радиолокации».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались с 2000 по 2006 год на научно-технических конференциях в Московском институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете), Московском государственном техническом университете гражданской авиации в 2001, на третьей всероссийской НТК(с участием стран СНГ) в г.Ульяновск в 2001г, на XXVI Молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» в 2000г, на 6 Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов МЭИ в 2000, На международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» с 2000 по 2006 г, на первой научно-практической конференции
«Радиолокационная техника: устройства, станции, системы» в г. Муром, В 2004г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, из них 7 статей, в том числе 1 - в издании, включенном в перечень ВАК, 3 тезисов докладов - в трудах международных и всероссийских научно-технических конференций и научных сессий, 7 докладов опубликованы полностью, было подано заявление о выдаче патента РФ на полезную модель «Устройство коррекции межканального рассогласования приемных каналов в цифровой ФАР» №2006111001.
Структура диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и 2 приложений. Объем работы составляет 126 страниц, из них рисунков - 39, таблиц в тексте - 3.
Во введении обусловлена актуальность выбранной темы, сформулированы цели и задачи исследования, освещена одна из основных тенденций развития РЛС с ФАР, заключающаяся в постепенном переходе к использованию ЦАР.
В первой главе дан анализ факторов, ограничивающих эффективность диаграммообразования ЦАР, основанный на открытых научных публикациях в области ЦАР.
Во второй главе дано определение выходного сигнала ЦАР и проведен подробный анализ дестабилизирующих факторов, ограничивающих динамический диапазон (ДД) ЦАР.
В третьей главе предложена методика и алгоритм коррекции «межканального» рассогласования приемных каналов в ЦАР.
В четвертой главе приведены методика и результаты экспериментальных исследований, подтверждающих теоретические результаты и дающих дополнительные материалы для оценки эффективности ЦАР с учетом дестабилизирующих факторов.
В заключении формулируются основные результаты работы, сделаны выводы и рекомендации.
