Содержание к диссертации
Введение
1. Теоретический анализ методов формирования прецизионных частот и сигналов 27
1.1. Синтез частот в радиотехнике и электронике 27
1.1.1. Классификация методов синтеза частот 27
1.1.2. Параметры систем синтеза частот 33
1.2. Цифровые методы синтеза частот 40
1.2.1. Принцип работы устройств прямого цифрового синтеза частот 40
1.2.2. Цифровые синтезаторы частот прямого синтеза на основе цифровых накопителей фазы 44
1.3. DDS: прямой цифровой синтез частоты 50
Выводы по первой главе 67
2. Теория и проектирование цифровых синтезаторов . 68
2.1. Цифровые синтезаторы многоуровневых колебаний 68
2.1.1. Особенности структурных схем цифровых синтезаторов 73
2.1.2. Формирование сигналов с ЛЧМ 74
2.1.3. Фазовые отклонения в синтезаторах ЛЧМ сигналов 76
2.1.4. Цифровые методы формирования ЛЧМ сигналов 78
2.1.5. Методы улучшения качества спектра
выходного сигнала ЦСЧ 79
2.2. Проектирование цифровых синтезаторов 87
2.2.1. Математические модели сигналов, синтезируемых ЦВС 88
2.2.2. Оптимизация параметров структуры цифровых вычислительных синтезаторов многоуровневых сигналов 91
2.2.3. Способы повышения быстродействия ЦВС 96
2.2.4. Цифровые синтезаторы сложных сигналов 101
Выводы по второй главе 104
3. Разработка новых алгоритмов работы и схемотехнических структур цифровых вычислительных синтезаторов 105
3.1. Цифровой синтезатор частот на основе цифровых накопителей 108
3.2. Цифровой синтезатор частот на основе умножителя кодов 112
3.3. Цифровой синтезатор частот с быстрой перестройкой рабочей частоты 117
3.4. Цифровой синтезатор частот с полиномиальным законом изменения фазы (частоты) 123
3.5. Рекурсивный цифровой синтезатор частот : 127
3.6. Цифровой синтезатор частотно-модулированных сигналов
с коррекцией частоты и фазы 132
3.7. Цифровой синтезатор фазомодулированных сигналов 135
3.8. Цифровой синтезатор частотно-модулированных сигналов 139
3.9. Цифровой синтезатор частот с расширенным
частотным диапазоном 144
ЗЛО. Цифровой вычислительный синтезатор 147
3.11. Анализ спектральных характеристик выходных колебаний цифровых синтезаторов частот 151
Выводы по третьей главе 159
4. Аппаратно-программный радиокомплекс с непрерывным линейно-частотно-модулированным сигналом 161
4.1. Теория зондирования ионосферы непрерывными ЛЧМ сигналами 161
4.2. Состав и принцип работы радиокомплекса с непрерывным ЛЧМ сигналом 171
4.2.1. Принцип работы радиокомплекса 174
4.2.2. Построение АЧХ и ионограмм (ДЧХ) 178
4.3. Синхронизация аппаратуры 180
4.4. Способ измерения абсолютного времени распространения коротких радиоволн в ионосфере с помощью радиосигналов с линейно-частотной модуляцией 184
Выводы по четвертой главе 189
5. Применение цифровых синтезаторов прецизионных частот и сигналов в задачах радиосвязи, телевизионной и измерительной технике 190
5.1. Оперативное прогнозирование распространения коротких радиоволн и применение ЛЧМ ионозонда в адаптивной системе связи 193
5.2. Цифровые синтезаторы частот как узлы адаптивной системы связи 207
5.3. Применение цифровых синтезаторов частот в телевизионной и измерительной технике 213
Выводы по пятой главе 219
6. Применение ЛЧМ радиокомплекса в исследованиях естественной и модифицированной ионосферы 221
6.1. Сверхдальнее зондирование ионосферного KB канала непрерывным ЛЧМ сигналом 222
6.2. Дальняя KB локация искусственных мелкомасштабных ионосферных неоднородностей 233
6.3. Влияние ВЧ нагрева ионосферы на дистанционно-частотные характеристики односкачковой трассы
Йошкар-Ола - Нижний Новгород 240
6.4. Авроральное распространение радиоволн на трассе Хабаровск - Мурманск 246
6.5. Возвратно-наклонное зондирование среднеширотной ионосферы 255
Выводы по шестой главе 263
Заключение 265
Литература 268
- Принцип работы устройств прямого цифрового синтеза частот
- Оптимизация параметров структуры цифровых вычислительных синтезаторов многоуровневых сигналов
- Цифровой синтезатор частот с быстрой перестройкой рабочей частоты
- Состав и принцип работы радиокомплекса с непрерывным ЛЧМ сигналом
Введение к работе
з Актуальность проблемы.
Радиосвязь на коротких волнах (KB) ионосферными лучами является экономичным способом дальней связи. Несмотря на стремительное развитие средств спутниковой связи, KB связь остается основным видом межконтинентальной связи, являясь важнейшим звеном глобальной связи. Декаметровые волны позволяют при сравнительно небольшой мощности передатчиков осуществлять радиосвязь на большие расстояния. Данный диапазон частот широко используется для радиовещания на труднодоступные районы страны и на другие страны.
Изучение особенностей распространения KB сигналов в ионосфере является актуальной проблемой для решения прикладных задач частотного обеспечения современных _ адаптивных систем связи. Дальнему и сверхдальнему распространению радиоволн. посвящены работы: В.П. Урядова, Л.М. Ерухимова, В.А. Иванова, В.В. Шумаева, В.И. Куркина, В.Е. Носова, Б.Г. Барабашева, Г.Г. Вертоградова, А.В. Гуревича, Е.Е. Цедилиной, Ю.Н. Черкащина, Ю.А. Чернова.
В 1985 году коллективами исследователей МарГТУ и НИРФИ был
создан ионозонд с : широкополосным ЛЧМ сигналом, обладающий
высокой разрешающей способностью, помехозащищенностью, хорошей
электромагнитной совместимостью, небольшими масс-габаритными
характеристиками и энергопотреблением в сравнении с диагностической
аппаратурой, основанной на использовании простых импульсных
сигналов. , .. .
Задача формирования прецизионных сигналов с заданными свойствами является крайне важной, поскольку основными функциональными узлами. в радиосистемах дистанционного зондирования ионосферы,. обеспечивающими их высокие точностные характеристики, являются синтезаторы частот и сигналов.
Развитие методов цифрового синтеза частот и сигналов позволило значительно улучшить параметры систем синтеза частот, которые в основном определяют технические характеристики РЭС: в радиовещании и телевидении — улучшить качество звуковых и телевизионных сигналов; в радиорелейных и спутниковых системах связи - повысить качество телефонной и телевизионной связи; в радиолокации — повысить разрешающую способность по дальности и по. скорости; в навигации и радиопеленгации ..- снизить ошибки определения координат объекта; в радиосвязи —. улучшить помехоустойчивость, скрытность и надежность сеанса связи; в измерительной технике - формировать прецизионные сигналы с малым шагом сетки частот и низким уровнем фазовых шумов.
Такие достоинства ЦВС как технологичность, надежность, устойчивость к воздействию дестабилизирующих факторов, малое время переключения частот при непрерывности фазы формируемых колебаний, способность формирования сложных сигналов, возможность полной микроминиатюризации , и программируемое параметров, хорошая повторяемость параметров при тиражировании уже сегодня позволили существенно повысить технико-экономические показатели многих радиотехническірс систем.
Важнейшими тенденциями развития систем связи и радиолокации являются освоение ^более высоких частот и переход к использованию сложных , сигналов для создания новых перспективных радиотехнических систем с повышенной помехоустойчивостью.
Сложные- сигналы широко применяются во многих РЭС: радиолокации, навигации и связи. Использование сложных сигналов в радиолокации обеспечивает высокую разрешающую способность по дальности и по скорости, в радиосвязи - повысить помехозащищенность и устойчивость связных систем.
Основы теории и техники методов синтеза частот, заложенные зарубежными исследователями (А. Боли, В. Кроупом, Б. Гоулдом, Дж. Тирнеем, Р. Хоскиным, Н. Купером), успешно разрабатывались видными, российскими учеными: Н.И. Чистяковым, В.В. Шахгильдяном, И.Н. Гуревичем, М.И. Жодзишским, В.Н. Кочемасовым и др. Весомый вклад в это направление внесли исследователю нижегородской и казанской школ синтеза частот: Ю.И. Алехин, Ю.К. Богатырев, В.И. Логинов, С.С. Сухотин, С.Я. Шишов, B.C. Станков, Н.П. Ямпурин, В.В. Болознев.
Вопросам формирования и исследования ЛЧМ сигналов посвящены работы Кука, Бернфельда, Кэпьюти, Кибблера, а также Л.Т.Варакина, Д.Е.Вакмана, И.С.Гоноровского, М.Е.Лейбмана, Я.Д.Ширмана, М.И.Жодзишского, В.Н.Кочемасова, А.Н.Фадеева и др.
В настоящее время разработаны основные принципы построения цифровых синтезаторов частот (ЦСЧ) и цифровых вычислительных синтезаторов (ЦВС), в значительной степени изучены их особенности- и характеристики формируемых сигналов.
;. Однако на сегодняшний день отсутствует строгая классификация ЦСЧ, недостаточно исследованы предельные возможности ЦСЧ по быстродействию и чистоте спектра формируемых сигналов. Развитие ЦВС -в.-настоящее время идет в основном в рамках известных структурных схем по пути их интегральной реализации,
технологического повышения быстродействия^- >iu снижения
энергопотребления и стоимости. ' *"J,,r-- . .* " " '" '*" '
Наряду с этим, большое значение имеет поиск новых способов повышения эффективности и качественных показателей ЦВС. В первую очередь это относится к быстродействию f и чистоте спектра формируемых ими колебаний, так как именно эти параметры остаются неудовлетворительными для ряда практических применений. '!',:' '!
Цель работы заключается в разработке теоретических и
методологических основ проектирования цифровых"'Синтезаторов
частот и цифровых вычислительных синтезаторов'1 для 'повышения
эффективности и качества при их использовании в радиоэлектронных
системах дистанционного зондирования ионосферы1.' :'"". : -'
Для достижения . поставленной цели ставились и решались
следующие задачи: '.-.,
-
Оптимизация параметров цифровых синтезаторов, построенных на базе метода прямого цифрового синтеза. - ""'
-
Разработка новых алгоритмов работы ЦСЧ и ЦВС, обеспечивающих повышение их быстродействия в 1,5 — 2 раза.
3. Разработка новых 'схемотехнических структур ЦСЧ и ЦВС,
і пригодных для реализации в интегральном' исполнении и
позволяющих расширить функциональные возможности и улучшить технические Характеристики синтезаторов путем:
повышения быстродействия;
снижения амплитудных и фазовых шумов;
возможности Достижения быстрой перестройки частоты; .'
повышения линейности закона изменения частоты выходных колебаний.
-
Аппаратная реализация структурно-схемотехнических ' решений путем совершенствования известных и создания новых структур.'
-
Компьютерный анализ спектральных и шумовых характеристик сигналов, формируемых новыми структурами ЦВС.
-
Проведение натурных экспериментов по использованию ЦСЧ в аппаратно-программном ЛЧМ комплексе наклонного зондирования для адаптации систем KB радиосвязи к текущему состоянию ионосферы.
-
Экспериментальные исследования по наклонному 'зондированию естественной и модифицированной ионосферы и анализ данных с точки зрения реализации предельных потенциальных возможностей ЛЧМ радиокомплекса для решения радиофизических задач.
б Методы исследований.
При решении поставленных задач в работе использованы методы теории сигналов, теории чисел, теории вероятности и математической статистики, а также математического и компьютерного моделирования и экспериментальные исследования.
Научная новизна ' выполненных исследований заключается в
следующем:
1. Разработаны алгоритмы работы.-. цифровых синтезаторов прецизионных частот и сигналов, позволившие повысить быстродействие и расширить функциональные возможности ЦВС. . 2. Предложены схемотехнические структуры быстродействующих цифровых синтезаторов сигналов, защищенные авторским свидетельством і СССР и патентами Российской Федерации на изобретение.
-
На базе ЛЧМ ионозонда создан новый диагностический инструмент с широкими возможностями путем модернизации его синтезаторов частот, позволяющий проводить исследования тонкой структуры среднеширотной и полярной ионосферы, ее динамики, особых видов распространения радиоволн. (кругосветных сигналов, лучей Педерсена) и быстропротекающих процессов при нагреве ионосферы мощным ВЧ излучением.
-
При проведении экспериментальных исследований потенциальных возможностей ЛЧМ радиокомплекса получены новые физические результаты:
обнаружена граничная частота кольцевого ионосферного KB канала,
вблизи которой происходит смена механизма формирования поля
кругосветных сигналов (КС) с волноводного (при/ рикошетирующий (прч/>/гр); ,
экспериментально реализован механизм управления волноводным
распространением коротких .радиоволн путем их вывода из
ионосферного канала на поверхность Земли за счет ракурсного
рассеяния на искусственных мелкомасштабных магнитно-
ориентированных неоднородностях, возбуждаемых внутри волновода
мощным радиоизлучением. ,.
На'зашиту выносятся :
1. Алгоритмы работы цифровых синтезаторов.прецизионных частот и сигналов;1 "позволившие повысить быстродействие и расширить функциональные возможности ЦВС.
-
Схемотехнические структуры быстродействующих цифровых синтезаторов сигналов, защищенные авторским свидетельством СССР и патентами Российской Федерации.
-
Метод измерения абсолютного времени распространения радиосигналов в KB диапазоне при помощи сигналов с линейной частотной модуляцией.
-
Импульсный метод синхронгоации аппаратуры наклонного ЛЧМ зондирования, позволяющий сократить время синхронизации аппаратуры НЗ ионосферы в сравнении с временным и частотным методами. і " ' :
-
Результаты экспериментов по наклонному зондированию естественной и модифицированной ионосферы на трассах различной протяженности.
Практическая ценность работы:
-
Разработаны и опробованы цифровые синтезаторы частот для применения в ЛЧМ радиокомплексах с целью исследования тонких ионосферных эффектов и дальнего распространения радиоволн.
-
Практически на среднеширотной трассе, протяженностью 3000 км," реализован метод оперативного прогнозирования оптимальных рабочих частот ионосферного KB канала на базе маломощного (100 Вт) ЛЧМ ионозонда в составе частотно-адаптивной системы KB радиосвязи.
-
Разработанные цифровые синтезаторы частот могут использоваться для создания радиопередающих и радиоприемных устройств с более высокими функциональными возможностями и техническими характеристиками для повышения скрытности, надежности и помехозащищенности маломощных систем KB и УКВ связи с программной перестройкой рабочей частоты.
-
Разработанные алгоритмы формирования ЧМ сигналов и новые структуры ЦВС и ЦСЧ могут применяться в системах дальней KB локации для повышения разрешающей способности по дальности.
Внедрение результатов работы.
Результаты работы использованы в научных отчетах НИРФИ по НИР «Спринт» и ТП «Стратег-Прогноз», в филиале ВГТРК -Государственной телерадиокомпании «Марий Эл», в ОАО «Концерн «Созвездие» (получены акты внедрения результатов работы), а также в учебном процессе при дипломном проектировании студентов радиотехнических факультетов Марийского государственного технического университета и Казанского государственного технического университета.
Полученные в диссертации результаты могут представлять интерес для следующих научно-исследовательских организаций:. ИПФ РАН, НПП «Полет», НИРФИ, НИПИ.«Кварц» (г. Нижний Новгород), ОАО «Концерн «Созвездие» (г..., Воронеж), ИЗМИР :.РАН (г. Троицк, Московской обл.), Московский,технический университет связи.
Достоверность результатов обеспечивается правильной и корректной постановкой экспериментов; высокой разрешающей способностью аппаратуры; .хорошей- повторяемостью параметров и технических характеристик цифровых синтезаторов частот при тиражировании. Основные результаты проверены с помощью натурных экспериментов и путем сравнения с данными, полученными другими авторами.
Личный вклад автора выразился в следующем:
Автором разработаны способы синтеза широкополосных ЧМ радиосигналов на базе метода прямого цифрового синтеза, самостоятельно спроектированы и изготовлены цифровые синтезаторы ЛЧМ сигналов [1-12, 16-20,26-30,32,35,36]; автор производил настройку, измерение параметров цифровых вычислительных синтезаторов (ЦВС) [2-12,16-19,36], проводил испытания аппаратуры наклонного ЛЧМ зондирования ионосферы, в состав которого входили ЦВС [13,14,21-25,27,33-36].. Автором предложены способы синхронизации пространственно разнесенных синтезаторов и измерения.абсолютного времени распространения KB радиосигналов, произведена оценка их эффективности на трассах различной протяженности [12, 27]. Он принимал активное участие в подготовке и проведении экспериментов по наклонному зондированию ионосферы на трассах различной протяженности, а также в обработке, анализе, обсуждении. и интерпретации полученных результатов [ 13 -15, 21 -24, 2 7, 33,34].
Апробация работы.
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
1. Втором Всесоюзном совещании «Математические модели ближнего
космоса» (Москва, МГУ, 1990 г.),
2. Семинарах НИРФИ «Цифровой синтез непрерывных ЧМ сигналов»
< (Н.Новгород, 1990-1991 гг.).
3. Межведомственной конференции «Авроральное распространение
КВ-радиосигналов на трассе Хабаровск- Мурманск» (Апатиты, КНЦ
РАН, 1992 г.).
-
Межведомственной конференции «Распространение радиоволн и проблемы радиосвязи ДКМВ-диапазона» (Н.Новгород, НПП «Полет», 1991 г.).
-
Ill Suzdal URSI Symposium on Modification of the Ionosphere by Powerful Radio Waves (ISIM-3). Sept. 9-13, 1991. .,..
-
X межведомственной научно-технической конференции «Проблемы радиосвязи» (Н.Новгород, НПП «Полет», 1999 г.).
-
VII, IX, X, XI Международных конференциях «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, НПФ «Саквоее», 2001, 2003, 2004, 2005)
-
Восьмой Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (Москва, DSPA, 2006 г.)
-
Ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава МарГТУ по секции «Проектирование и производство ЭВС».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 работ, в том числе в журналах «Вестник МГУ», «Геомагнетизм и аэрономия», «Приборы и техника эксперимента», «Радиотехника», «Instruments and Experimental Techniques», бюллетенях открытий и изобретений (1 авторское свидетельство СССР и 10 патентов РФ на изобретение), препринте НИРФИ, тезисах докладов международных и Российских конференций.
Объем работы.
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы из 196 наименований. Основное содержание диссертационной работы изложено на 291 страницах машинописного текста, иллюстрировано 64 рисунками, включает 5 таблиц, список принятых сокращений и приложения.
Принцип работы устройств прямого цифрового синтеза частот
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 частот, называют системами синтеза частот (ССЧ) [116]. Синтезатор частот - это ССЧ, конструктивно оформленная в виде функционально законченного устройства (блока, узла, платы, модуля, микросхемы). Если в ССЧ используется несколько опорных частот, ее считают многоопорной. Если все выходные частоты синтезированы из одного исходного колебания, то ССЧ -одноопорная. В таких синтезаторах точность и стабильность выходных частот определяются опорным генератором.
. Классификация методов синтеза частот Возможность получения высокостабильных колебаний в некотором диапазоне частот была реализована в тридцатые годы. Благодаря промышленному освоению производства изделий пьезокварцевой техники -резонаторов, фильтров, генераторов - тогда удалось разработать радиостанции, 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 [46]. Колебания кварцевого генератора опорной частоты и интерполяционного 1С-генератора, плавно перестраиваемого в диапазоне от /л до/тах, поступают на балансный смеситель. На выходе смесителя включен перестраиваемый полосовой фильтр, ВЫДеЛЯЮЩИЙ ПРОДУКТЫ Преобразования В Интервале ОТ ffrfmin ДО fo+fmax Относительная нестабильность колебаний на выходе синтезатора Sf оказывается тем ниже, чем больше отношение fo/fe , где /г - частота LC-генератора. При смене кварцевых резонаторов удавалось сделать диапазон перестройки довольно большим. Однако существенным недостатком метода прямой интерполяции было наличие на выходе устройства большого числа побочных продуктов преобразования, в первую очередь интенсивных составляющих вида/0±2/г, fo±3fe.
Дальнейшее повышение требований к стабильности частоты колебаний и чистоты спектра способствовало созданию диапазонных гетеродинов приемников и возбудителей передатчиков, перестраиваемых не плавно, а дискретно - ступенями с шагом Afc. Так, в сороковые годы стали применяться устройства диапазонно-кварцевой стабилизации частоты, построенные по принципам: кварц-волна; прямого преобразования, методом гармоник.
В ССЧ, построенных по методу кварц-волна [46], синтезируемая частота образуется суммой частот нескольких кварцевых генераторов с переключаемыми кварцевыми резонаторами:
В подобном синтезаторе неточности настройки кварцевых резонаторов, нестабильности частот кварцевых генераторов вносят аддитивный вклад в выходной сигнал. И поскольку колебания отдельных кварцевых генераторов некоррелированы между собой, метод кварц-волна относят к некогерентным.
Отличительная черта когерентного синтеза - формирование всех выходных колебаний из одного - опорного колебания, создаваемого высокостабильным кварцевым (или квантовым) генератором.
Метод прямого преобразования используют, когда необходимо получить сравнительно небольшое число выходных частот [116]. При этом синтезатор состоит из умножителей и делителей частоты, смесителей и полосовых фильтров, настроенных на разные частоты. Такая ССЧ позволяет одновременно синтезировать несколько колебаний с разными частотами.
Метод гармоник предполагает, что на выходе ССЧ присутствует колебание лишь одной из множества возможных частот [117]. Выходная частота кратна частоте опорного генератора. Основным элементом такой ССЧ является селектор гармоник, состоящий из генератора гармоник, формирующий из гармонического колебания последовательность коротких прямоугольных импульсов и узкополосного фильтра, настроенного на требуемую гармонику.
Фильтр может быть пассивным или активным. Перестраиваемые узкополосные пассивные фильтры целесообразно использовать для выделения гармоник невысокой кратности, иначе они либо не обеспечивают требуемой степени ослабления соседних гармоник, либо становятся громоздкими и сложными в изготовлении [116,117].
Активные фильтры выполняются с использованием автогенераторов, управляемых по частоте с использованием петли компенсации или кольца фазовой автоподстройки частоты (ФАИЧ) [119].
Петля компенсации, предложенная в 1941 г. В.И.Юзвинским [46], вначале транспонирует входное колебание в область низких частот, где узкополосным неперестраиваемым фильтром осуществляется селекция необходимой моды. Затем с помощью второго преобразования и последующей фильтрации выделяется заданная гармоника/0.
Выходной фильтр может перестраиваться в пределах октавы [117], при этом обычно его перестройка осуществляется одновременно с частотой гетеродина. Двойное преобразование частоты в цепи Юзвинского исключает высокие требования к гетеродину, так как в петле происходит компенсация его собственной нестабильности частоты. Вместе с тем петля компенсации способна осуществлять эффективную селекцию гармоник вплоть до 300-го порядка [116].
Оптимизация параметров структуры цифровых вычислительных синтезаторов многоуровневых сигналов
Рассматривая методы построения быстродействующих ЦВС частот и сигналов можно сделать вывод, что разработка структур ЦВС с расширенным диапазоном частот проводится в двух направлениях: .
Первое - основано на поиске новых решений по повышению быстродействия основных функциональных узлов ЦВС (цифровых накопителей, функциональных преобразователей, блоков управления и т.д.). Работы в данном направлении ведутся как на структурном, так и на схемотехническом уровне.
Второе - синтез ЦВС с повышенным диапазоном частот посредством умножения частоты или переноса спектра сигнала, формируемого ЦВС на относительно низкой тактовой частоте его работы fo на более высокую (несущую) частоту.
Предельно допустимое значение максимальной синтезируемой частоты ЦВС fcmax существенно зависит от характеристик используемых в них цифровых накопителей. Известно [46], что двоичные ЦН (по modi) при минимуме аппаратных и энергетических затрат обладают более высоким быстродействием, чем ЦН по modlO. Поэтому в современных быстродействующих ЦСЧ и ЦВС наибольшее применение находят двоичные ЦН по mod2. Однозначное соответствие выходной синтезируемой частоты/; коду установки частоты С„ необходимое при использовании синтезаторов частот в гетеродинах радиоприемных и возбудителях радиопередающих устройств с частотами опорных генераторов: 5; 10; 20; 50; 100 МГц, достигается либо путем введения в схему ЦВС корректора кода, либо за счет изменения емкости ЦН. Первое техническое решение предпочтительнее, так как не приводит к снижению быстродействия ЦВС и не увеличивает аппаратурные затраты на реализацию цифрового синтезатора. Это объясняется тем, что функции корректора кода в большинстве случаев выполняет блок управления трансивером, который строится с применением микропроцессоров. ЦН реализуется по секционному принципу аналогично конвейерной структуре построения современных микропроцессоров.
Также быстродействие ЦВС МС в значительной степени определяется скоростью выполнения преобразования фаза - синус [46]. Поэтому задача выбора быстродействующих структур функциональных преобразователей (ФП) весьма актуальна. Существуют различные виды ФП: 1) ФП с «памятью» в виде ПЗУ или ОЗУ. Обладают низким быстродействием при большом количестве аппаратных затрат, поэтому они используются в ЦВС только в интегральном исполнении (в виде СБИС); 2) простые кодовые преобразователи, которые требуют включения в свой состав специализированных ЦАП, работающих в базисе Уолша; 3) ФП без «памяти» с треугольным, единожды усеченным (ЕУТ) и дважды усеченным треугольным (ДУТ) колебаниями.
Интересной реализацией, направленной на повышение быстродействия ФП «без памяти», являются функциональные преобразователи с треугольным, единожды усеченным треугольным, дважды усеченным треугольным колебаниями, описанные в 2.1. Однако ДУТ колебания наиболее близки к синусоиде, поэтому ЦВС с ФП, построенные на их основе, обладают достаточно хорошими спектральными характеристиками в области низких частот. Следующим шагом на пути увеличения быстродействия ЦВС является повышение быстродействия структуры в целом. Одним из наиболее известных способов повышения рабочих частот ЦВС является перенос сигнала, сформированного на низкой частоте, на более высокую несущую частоту. Для сохранения высокой скорости переключения частот перенос сигнала с частоты на частоту выполняется управляемыми фазовращателями с линейным законом модуляции. В современных быстродействующих ЦВС в качестве управляемых фазовращателей используются многоуровневые дискретные фазовращатели (ДФВ), которые способны обеспечить большое число градаций фазы в широком диапазоне частот. Однако известные структуры ЦВС с ДФВ имеют более «богатый» спектр сигнала по сравнению с «классической» структурой ЦВС, что ужесточает требования к выходному фильтру и уменьшает относительную полосу синтезируемых частот.
Вторым способом расширения диапазона синтезируемых частот являются структуры цифровых синтезаторов частот и сигналов, в основе принципа действия которых лежит метод одновременного вычисления кодов отсчета синтезируемого колебания с последующим выбором данных кодов в определенной последовательности для" получения требуемой формы выходного колебания.
В работе [117] рассматривается структура четырехканального синтезатора, состоящего из 4-х генераторов кодов синусоидальных колебаний, функции которых могут выполнять либо ЦН, либо «классические» ЦВС отсчетов. Приращения фазы А р предварительно сдвигаются для получения приращений АА(р, которые поступают на входы четырех параллельно работающих генераторов кодов. На выходах ПС одновременно формируются четыре фазовые точки, которые на определенную величину опережают полную синусную величину формируемого выходного сигнала, образованного в дальнейшем путем их суммирования. Сформированные генераторами коды коммутируются из 4 в 1, в результате чего образуется последовательность кодов К? значений функции sin(x). Эта последовательность поступает на ЦАП, на выходе которого формируется синусоидальный сигнал требуемой частоты и фазы (рис. 2.9). Данная структура получила название ЦВС с коммутацией фазовых отсчетов (КФО).
В iV-канальном ЦВС с параллельным вычислением отсчетов фазы синтезируемого колебания тактовая частота работы ЦН понижена N в раз и равна fm =f0/N. Следовательно, в ЦВС с КФО выходная частота может быть увеличена в N раз по сравнению с выходной частотой «классического» ЦВС за счет повышения частоты синхронизации устройства без увеличения тактовой частоты работы цифровых накопителей при сохранения шага сетки частот.
При конкретно выбранном числе каналов необходимое значение кодов фазовых приращений в каждом канале ЦВС может быть получено путем сложения или вычитания минимально сформированных сдвигов фазы. Это существенно облегчает схемотехническое исполнение ЦВС и уменьшает аппаратурные затраты на его реализацию.
Возможно коммутировать не только отсчеты фаз, но и отсчеты амплитуд синтезируемого колебания. Структуры данных ЦВС получили название ЦВС с коммутацией отсчетов амплитуд (КОА) синтезируемого колебания. В ЦВС с КОА количество ФП равно количеству каналов синтезатора. В результате этого аппаратурные затраты на реализацию данного вида синтезаторов резко возрастают, что нежелательно в случае интегрального исполнения ЦВС. Поэтому структурные схемы многоканальных ЦВС с КОА целесообразно строить на БИС ЦВС.
Цифровой синтезатор частот с быстрой перестройкой рабочей частоты
Амплитудные шумы на выходе цифрового синтезатора частот могут быть значительно уменьшены включением после ФНЧ амплитудного ограничителя, после которого, в случае необходимости иметь синусоиду, снова ставят ФНЧ [119].
Неидеальная работа ЦАП на высоких частотах приводит к возникновению дополнительных побочных спектральных составляющих. Хотя по теореме Котельникова для восстановления синусоиды достаточно иметь не менее двух ее отсчетов на периоде, на практике с целью уменьшения требований к избирательности ФНЧ используют не менее четырех отсчетов [117].
Частоту опорного сигнала выбирают как компромисс между различными требованиями к ней: она должна быть в четыре или более раза выше частоты синтезируемого сигнала,. цельнократное значение частоты опорного сигнала должно быть равно номинальному значению частоты ЦСЧ в отсутствии расстройки (когда на входе накапливающего сумматора код частоты z=0), для исключения ложных захватов в схеме ФАПЧ диапазон перестройки управляемого генератора (ГУН) должен быть менее половины частоты опорного сигнала, переходные процессы в накопителе и ЦАП должны закончиться за время, меньше периода опорного сигнала, частота опорного сигнала должна достаточно просто формироваться из частоты единого эталонного генератора комплекса (например, 5.0 МГц) [69].
Точность формирования ЧМ сигналов зависит от числа разрядов ЦАП, число которых определяется допустимым уровнем боковых лепестков в сжатом сигнале. В отличие от ЦСЧ, использующим для формирования синусоидального сигнала различные виды табличных методов на основе ПЗУ или ОЗУ [69, 116, 117], при данном способе синтеза цифровых сигналов ЦСЧ имеет значительно более высокое быстродействие. Также существует возможность увеличения количества разрядов, которые поступают на ЦАП с выходов фазового вычислителя, при этом также можно повысить отношение сигнал-шум на выходе ЦВС.
Кроме сигналов с линейным (или кусочно-линейным) законом частотной модуляции используют сигналы с нелинейным законом ЧМ. Это позволяет повысить разрешающую способность аппаратуры и по дальности, и по скорости. Сигналы с дискретной ЧМ применяются в системах связи, радиолокации и часто используются как сигналы, аппроксимирующие тот или иной закон изменения частоты.
Чем больше база сигнала, тем выше потенциальные возможности, информативность сигнала, но тем труднее реализовать его с необходимой точностью. В радиолокации увеличение девиации частоты сигнала приводит к повышению разрешающей способности по дальности, а использование сигналов с большей длительности - к повышению разрешающей способности по скорости.
Абсолютное большинство находящихся в эксплуатации и разрабатываемых синтезаторов построено с использованием систем ФАПЧ. Однако в последние годы наметилась тенденция роста цифровых вычислительных синтезаторов, построенных на базе метода прямого цифрового синтеза [47].
На рис. 3.18 показан спектр «треугольного» сигнала, ограниченного по амплитуде на уровне 1,5 В. При этом значительно возрастает уровень амплитуд четных гармоник. Следовательно, при проектировании усилителей мощности ЛЧМ зондов необходимо учитывать, что для усиления синтезированного сигнала требуются широкополосные высокочастотные усилители, работающие в классе А.
На рис. 3.19 показаны зависимости изменения спектрограмм во времени, из которых видно, что спектр «треугольного» сигнала не содержит четных гармоник и значительно меньше гармоник высших порядков по сравнению с «пилообразным». Анализ полученных графиков показал, что для формирования зондирующего сигнала для аппаратуры наклонного ЧМ зондирования ионосферы сигнал «треугольной» формы является более предпочтительным, чем сигнал «пилообразной» формы.
На рис. 3.20 приведены форма ЛЧМ сигнала на выходе ЦАП цифрового синтезатора частот, а также его спектрограмма и ее изменение во времени.
Данные графики получены при помощи пакета прикладных программ Cool Edit Pro v2.0 при следующих режимах работы цифрового синтезатора: Лач = 0 Гц;/л = 196 кГц/с; ти = 13 мс. На спектрограмме хорошо видны «френелевские» зоны; уровень собственных шумов за пределами полосы формирования не превышает 0,02 В при номинальной амплитуде выходного сигнала Um = 1 В [97,98].
Состав и принцип работы радиокомплекса с непрерывным ЛЧМ сигналом
С ростом мощности связного сигнала вероятность безошибочного приема при работе по ДП увеличивалась пропорционально логарифму мощности. Зависимость надежности связи от мощности позволила оценить необходимую мощность связного сигнала при работе системы по ДП и на основе АЧО при условии равной надежности. Расчеты показали, что работа связного передатчика мощностью Р 600 Вт при выборе ОРЧ связи по ДП обеспечивала такую же надежность связи, как при выборе ОРЧ с помощью АЧО в случае использования связного сигнала мощностью 5 Вт.
За рубежом, в первую очередь в США и странах НАТО, проводилось большое число экспериментов по использованию ЛЧМ ионозондов в адаптивных системах KB радиосвязи [177-178]. На рис. 5.3 показана геометрия трасс в экспериментах, проведенных в США и Западной Европе, с использованием ЛЧМ ионозондов для диагностики ионосферного радиоканала. Исследования проводились на радиотрассах, пересекающих высокоширотные районы, зону полярных сияний, а также на среднеширотных радиолиниях. Мощности передатчиков составляли от 10 до 100 Вт. В ходе продолжительных экспериментов исследовалось также влияние возможных помех, обусловленных работой ЛЧМ ионозондов, в ВЧ сети с централизованным управлением спектра. Важно отметить, что в течение всего периода эксплуатации ЛЧМ ионозондов с 1993г. по 1996г. не было ни одной жалобы на помехи. Были получены и проанализированы данные для более чем сорока радиолиний. Исследования показали, что надежность связи, приближающаяся к 100%), может быть достигнута при условии доступа к нескольким станциям, расположенным по большой территории, а также при условии, что на основании данных ЛЧМ зондирования в реальном времени может быть выполнен динамический выбор частоты из набора частот, расположенных в достаточном числе полос частот, распределенных по диапазону. Как правило, для хорошего качества работы систем KB связи достаточно восьми частот. Однако, при наличии ионосферных возмущений, могут потребоваться дополнительные частоты. Отмечается, что появление спорадического слоя Es в высокоширотной ионосфере может быть использовано для организации канала связи через Es в условиях сильных возмущений в F- области.
Магнитные бури могут оказывать существенное влияние на диапазон частот ионосферного KB канала, что обусловлено значительными вариациями МНЧ. Важно отметить, что с изменением магнитной активности может измениться маршрутизация организации связи. Для получения полномасштабной оценки и хорошего качества прогноза может потребоваться объединение сведений, полученных от большого числа ЛЧМ ионозондов, а также геофизической информации. Рис. 5.4 иллюстрирует работу двух различных схем KB связи [176]. Под неготовностью понимается отсутствие связи в ВЧ сети для указанных главных станций, каждая из которых включает четыре радиолинии. В эксперименте обе схемы управления частотными ресурсами имели доступ к 11 частотным полосам, и считалось, что связь проходит успешно, если измеренное отношение сигнал/помеха превышало заранее установленное значение. Из рисунка видны преимущества оценки канала в реальном времени с помощью ЛЧМ ионозонда, перед методом долгосрочного прогноза.
В тех случаях, когда линия связи и трасса зондирования не совпадают, целесообразно использовать методику прямой диагностики характеристик канала связи, предложенную в работах [177-178] и основанную на использовании адиабатических соотношений характеристик диагностического сигнала и исследуемого радиоканала при изменениях параметров ионосферы. Данные соотношения были выявлены при анализе результатов моделирования частотных зависимостей групповых характеристик сигналов в различных геофизических условиях.
При изменениях параметров ионосферы в пределах 20% слабо меняются: величина у, равная отношению группового пути Рт, соответствующего задержке сигнала, принимаемого на МПЧ (fm), к дальности до границы освещенной зоны Dm; величина х, равная отношению максимально применимых частот каких - либо мод для различных радиотрасс; отношение группового пути сигнала НЗ к длине радиотрассы на относительной сетке частот/? =f/fm Найденные адиабатические соотношения позволяют решить вопросы оперативной диагностики ДКМВ радиоканала по текущим данным регистрации ионограмм возвратно-наклонного зондирования или ионограмм наклонного зондирования станций, расположение которых не совпадает с корреспондирующим пунктом по дальности или по азимуту трассы.
Способность эффективно управлять ресурсами ДКМВ диапазона в значительной мере зависит от точности и оперативности определения оптимальных рабочих частот (ОРЧ) связи. Поэтому развитие методик оперативного прогноза характеристик KB сигналов с использованием различных видов наземного зондирования ионосферы (ВЗ, НЗ и ВНЗ) остается актуальной до настоящего времени. Использование ЛЧМ ионозонда с высокой степенью автоматизации обработки ионограмм позволило на качественно новом уровне делать оперативный прогноз характеристик ионосферного канала [177-178]. Под оперативным прогнозом подразумевается предсказание характеристик KB сигналов от нескольких минут до 1 часа.
206 На фоне суточного хода МПЧ регистрируются короткопериодные вариации, обусловленные как мелкомасштабными неоднородностями, так и различными волновыми процессами. Знак их может меняться от сеанса к сеансу даже в течение 15 минут. Поэтому целесообразно выделить наиболее значимые вариации МПЧ и сгладить вариации, связанные как с мелкомасштабной неоднородной структурой ионосферы, так и с ошибками при определении МПЧ, но с сохранением наиболее существенных вариаций, период которых составляет 1 час и более. Были опробованы различные способы сглаживания экспериментальных данных: линейное сглаживание по трем и пяти точкам и сглаживание полиномом третьей степени по семи точкам.
Показано, что применение линейного сглаживания экспериментальных данных по трем точкам, является более оптимальным для решения задач оперативного прогноза: с одной стороны, это позволяет уменьшить ошибки, обусловленные неточным определением МПЧ, особенно ночью из-за F-рассеяния, и учесть общую тенденцию изменения МПЧ во времени с сохранением наиболее значимых вариаций МПЧ, хотя с другой стороны, априори вводится погрешность прогноза из-за неучета мелкомасштабных неоднородностей [186].
