Синтезатор ЛЧМ сигналов с системой импульсно-фазовой автоподстройки частоты и сигма-дельта модулятором Черкашин, Александр Александрович

Введение к работе

Актуальность темы. Сложные широкополосные сигналы вот уже несколько десятилетий привлекают разработчиков специальных и коммерческих радиотехнических систем. Это объясняется лучшей помехозащищенностью систем, использующих сигналы с распределенным спектром, снижением необходимой пиковой мощности передающих устройств для достижения тех же энергетических характеристик, меньшим уровнем помех другим системам и т.д.

В числе сложных сигналов широко применяются сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ). Исторически ЛЧМ сигналы (ЛЧМС) использовались в основном для специальных и военных задач. К настоящему времени с помощью ЛЧМ сигналов решается также широкий круг задач, связанных с потребительской и промышленной техникой. Среди областей применения систем с ЛЧМС: обнаружение и оценка параметров движения объектов, распознавание космических тел, радиовысотометрия, физические измерения, измерительная техника, системы передачи информации и др.

Разнообразие систем предопределяет различные требования к параметрам формируемых сигналов: начальной частоте f_n, скорости частотной модуляции у, девиации W, длительности Т_ЛЧМ, базе =ЖТ_ЛЧМ и периоду повторения Т_п. Часто требуется формировать несколько сигналов или менять параметры модуляции в течение действия сигналов.

Во многих случаях потенциальные характеристики системы зависят от точности формирования используемых в них сигналов. Например, при фильтровой обработке ЛЧМС для получения уровня боковых лепестков -40 дБ и менее, гармонические составляющие фазовых и амплитудных ошибок не должны превышать 1.2 град и 2 % соответственно, независимо от базы формируемого сигнала.

Формирование ЛЧМ сигналов с девиацией, не превышающей сотен мегагерц с достаточно высоким качеством возможно в цифровых вычислительных синтезаторах (ЦВС). Однако развитие радиотехнических систем во многих случаях связано с использованием ЛЧМ сигналов с большими девиациями. Синтез таких сигналов возможен в синтезаторах (формирователях) с системой импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ), и, в частности, в синтезаторах с делителем с дробно-переменным коэффициентом деления (ДДПКД) в цепи обратной связи кольца автоподстройки, управляемого накапливающим сумматором (накопителем) кода. Недостатками такого типа формирователей является наличие специфических помех в выходном сигнале, называемых помехами дробности, а также зависимость фазовой ошибки выходного сигнала от линейности модуляционной характеристики генератора, управляемого напряжением (МХ ГУН). Введение в схему синтезатора дополнительных узлов для линеаризации модуляционной характеристики позволяет существенно уменьшить последнюю проблему. Помехи дробности возникают из-за периодичности работы накопителя. Борьба с ними может осуществляться тремя путями: аналоговой компенсацией; применением методов рандомизации с использованием сигма-дельта модуляторов (СДМ) и комбинированными методами.

Одним из наиболее перспективных формирователей ЛЧМС на сегодняшний день является синтезатор на основе системы ИФАПЧ с ДДПКД и сигма-дельта модулятором. Принципиальная возможность формирования выходного сигнала с высокими показателями качества (динамические, спектральные характеристики, фазовая ошибка), позволяет использовать такие системы синтеза для формирования ЛЧМ сигналов с весьма большими базами. Кроме того, формирователи такого типа обладают высокой технологичностью. Немаловажным преимуществом указанных формирователей является их потенциально низкое энергопотребление. Эти обстоятельства делают синтезаторы с сигма-дельта модуляторами на основе системы импульсной ФАПЧ весьма привлекательными для формирования широкополосных ЛЧМ сигналов и для создания специализированных отечественных микросхем с возможностью формирования, как сетки частот, так и ЛЧМС.

Система ИФАПЧ представляет собой в общем случае нелинейное устройство, содержащее как непрерывную, так и импульсную части. Исследованию таких систем посвящено множество научных работ как отечественных, так и зарубежных авторов. В их числе: В.В. Шахгильдян,

А. А. Ляховкин, В. А. Левин, В.Н. Кулешов, А.В. Пестряков, Л.Н. Казаков, С.К. Романов и их ученики. Среди зарубежных авторов: Манассевич В., Гарднер Ф., Линдсей В.

Автор считает своим долгом выделить имя д.т.н., проф. Левина В.А., известного ученого в области синтеза частот, ныне покойного. Под его руководством начиналась эта работа.

Теория и техника использования сигма-дельта модуляции в синтезаторах частот и сигналов разрабатывалась на протяжении двух десятилетий. Причем, наиболее разработанными являются системы синтеза частот такого типа. В этой области выделяются работы: И.В. Путилина, Н.М. Тихомирова, М.В. Иванкович, Т. Рылея, Т. Квасневского, М. Перротта, Ч. Содини, В. Ри, Б. Мюера, М. Стюарта и других.

Исследованию формирователей частотно-модулированных сигналов с помощью систем ИФАПЧ с ДДПКД посвящены работы: В.Н. Кочемасова, Л.А. Белова, А.Д. Ревуна, А.Н. Жарова. Однако в этих работах рассматриваются только формирователи с аналоговой компенсацией помех дробности. Работа И.И. Колесникова посвящена формированию сигнала для ЧМ - радиовещания. Труды зарубежных авторов: Т. Мюша, М. Пишлера и др. затрагивают только аспекты практической реализации формирователей ЛЧМС на основе ДДПКД и СДМ.

С недавнего времени выпускаются специализированные зарубежные микросхемы для построения формирователей ЛЧМ сигнала с системой ИФАПЧ и СДМ. Однако специфические вопросы формирования ЛЧМ сигналов в синтезаторе на основе кольца ИФАПЧ и ДДПКД под управлением СДМ ранее исследованы не были. Такие исследования необходимы для понимания физических процессов, происходящих в формирователях и определения параметров кольца автоподстройки при проектировании синтезаторов. Кроме того, актуальной является задача разработки отечественных ИМС синтезаторов с системой импульсно-фазовой автоподстройки частоты с возможностью формирования ЛЧМ сигнала. С этой точки зрения также важен теоретический анализ таких формирователей.

В соответствии с изложенными выше обстоятельствами, сформулируем основную цель и задачи диссертационной работы.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является

исследование динамических и спектральных характеристик формирователя

ЛЧМ сигналов на основе синтезатора с ИФАПЧ и сигма-дельта модулятором. В соответствии с поставленной целью требуется решение следующих

основных задач:

создание математической динамической модели формирователя ЛЧМ сигнала, определение его динамических свойств в режиме подготовки к модуляции и непосредственно при действии модуляции;

построение математической модели для определения фазовых ошибок выходного сигнала формирователя ЛЧМС с различными типами СДМ и при неидеальной реализации аналоговой части ИЧФД, выбор наилучшего типа СДМ для построения схемы формирователя. Анализ влияния параметров кольца автоподстройки и ЛЧМ сигнала, а также нелинейности модуляционной характеристики ГУН на фазовые ошибки выходного сигнала формирователя с учетом дальнейшей обработки ЛЧМС;

создание имитационной компьютерной модели формирователя ЛЧМ сигналов, обеспечивающей оценку динамических и спектральных характеристик формирователя с учетом последующей обработки ЛЧМС;

выработка методики проектирования синтезаторов ЛЧМС на основе кольца импульсной ФАПЧ с СДМ, разработка программного обеспечения для такой методики;

разработка структурной схемы варианта СБИС синтезатора частот и ЛЧМ сигналов с СДМ;

проведение испытаний отечественной ИМС 1508ПЛ9Т как прототипа будущим отечественным интегральным микросхемам с возможностью формирования ЛЧМС;

создание макета и экспериментальное исследование синтезатора ЛЧМ сигналов на основе зарубежной микросхемы HMC701LP6CE с целью определения потенциальных возможностей таких синтезаторов.

Методы исследования. В диссертационной работе используются: теория непрерывных и дискретных систем автоматического регулирования; теория линейных дифференциальных уравнений и методы их численного решения на ЭВМ; методы статистической радиотехники; методы компьютерного имитационного моделирования с использованием моделей узлов системы; методы экспериментальных исследований.

Научная новизна. В работе получен ряд результатов, имеющих научную новизну:

1. разработаны математические модели для определения динамических характеристик в режиме установления начальной частоты с учетом влияния задержек в ИЧФД и в переходном режиме по фазе в общем случае и для минимальной длительности установления фазы;

2. построена математическая модель для определения динамических характеристик в режиме формирования ЛЧМ сигнала;

3. показано, что для оценки спектральных характеристик формирователя ЛЧМС можно использовать модель синтезатора частоты на основе ИФАПЧ с СДМ;

4. проведена сравнительная оценка двух типов СДМ с целью выяснения наилучшего для применения при реализации формирователя ЛЧМ сигнала;

5. показана зависимость спектральных характеристик и результатов обработки ЛЧМ сигнала (сжатие спектра и корреляционная обработка) от используемых в формирователе структур СДМ, неравенства токов подкачки заряда ИЧФД, а также нелинейности модуляционной характеристики ГУН.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

6. создана имитационная компьютерная модель синтезатора ЛЧМ сигнала на основе системы импульсной ФАПЧ с сигма-дельта модулятором, позволяющая оценивать показатели качества сформированного ЛЧМ сигнала с использованием обработки с помощью сжатия спектра и корреляционной обработки;

7. разработана компьютерная программа для расчета фазовых ошибок выходного сигнала и оценки устойчивости системы автоподстройки в зависимости от параметров кольца и ЛЧМ сигнала, нелинейности модуляционной характеристики ГУН, а также типа СДМ;

8. разработана методика проектирования формирователя ЛЧМС на основе кольца ИФАПЧ с СДМ;

9. разработана структурная схема варианта СБИС синтезатора частот и ЛЧМ сигналов с СДМ;

10. построена отладочная плата для СБИС синтезатора частот с ИФАПЧ 1508ПЛ9Т и проведено измерение характеристик этой микросхемы;

11. создан и экспериментально исследован макет синтезатора частот и ЛЧМ сигналов на микросхеме HMC701LP6CE.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях и семинарах:

научный семинар, проводимый IEEE совместно с РНТОРЭС им. А.С. Попова и МТУСИ "Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов в инфокоммуникациях. Синхроинфо" в 2010-2011 годах;

XVII научно-технический семинар по СВЧ технике (Нижегородская обл., п. Хахалы), 2011г;

научно-технические конференции профессорско - преподавательского состава МТУСИ в 2005, 2007 годах.

Публикации по теме работы. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 статьи в журнале "Электросвязь", входящем в перечень ВАК РФ, 7 тезисов докладов на научно-технических конференциях и семинарах и 2 статьи в рецензируемых журналах.

Получено 3 акта о внедрении результатов работы.

Объем и структура работы. Материалы диссертационной работы изложены на 180 страницах машинописного текста, иллюстрированного 85 рисунками. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 117 наименований и 5 приложений на 17 стр.

Основные положения, выносимые на защиту.

11. 1. Увеличение задержки распространения в триггерах ИЧФД, а также в их цепи сброса, либо уменьшение периода сигнала опорного генератора, приводит к затягиванию переходного процесса по частоте.

    2. Значение установившейся фазовой ошибки в режиме формирования ЛЧМС определяется скоростью ЛЧМ сигнала и параметрами кольца ИФАПЧ.

    3. Уровень фазовых флуктуаций в низкочастотной области СПМ шума сигма-дельта модулятора, а также уровень боковых лепестков сжатого ЛЧМ сигнала, при неравенстве значений токов подкачки ИЧФД, тем больше, чем выше уровень шума квантования в области частот fj/2, где f_T - частота тактирования С ДМ.

    4. Уменьшение фазовых ошибок выходного сигнала синтезатора ЛЧМС в результате процесса установления фазы в режиме формирования ЛЧМ сигнала и нелинейности модуляционной характеристики ГУН достигается увеличением полосы пропускания кольца автоподстройки. В то же время, для уменьшения фазовых флуктуаций выходного сигнала за счет фазового шума требуется уменьшать полосу пропускания кольца. Оптимальное значение полосы пропускания нужно подбирать при проектировании формирователя ЛЧМ сигнала.

    Похожие диссертации на Синтезатор ЛЧМ сигналов с системой импульсно-фазовой автоподстройки частоты и сигма-дельта модулятором

    

    Разработка методик численного анализа и моделирования дельта-сигма модуляторов аналого-цифровых преобразователей Теленков Михаил Валерьевич

    

    Улучшение спектра выходного сигнала кварцевых генераторов с цифровой термокомпенсацией путем оптимизации параетров системы кварцевый резонатор - синтезатор компенсирующей функцииЛепетаев Александр Николаевич

    

    Влияние внутренних шумов и искажений характеристик дискриминаторов на работу синтезатора частот с системой фазовой автоподстройки частотыЖабин, Алексей Сергеевич

    

    Синтез и реализация дельта-сигма АЦП двоичного и троичного кода с расширенной полосой рабочих частот и малой потребляемой мощностьюПилипко, Михаил Михайлович

    Программируемый синтезатор непрерывного ЛЧМ-сигнала с заданным уровнем шумов для диагностики КВ радиолинийЧернов, Александр Геннадьевич

    

    Оптимизация алгоритмов адаптивной пространственной обработки сигналов систем местоопределения источников радиоизлучения систем связи с подвижными объектами ОВЧ-УВЧ диапазонаОвчинников Павел Иванович

    Оснащение авиационных радиолокационных комплексов функциональными режимами, связанными с обработкой многомерных систем сигналовАвишев, Вячеслав Борисович

    

    Статистические характеристики псевдослучайных сигналов систем Лоренца и Чуа в условиях квазирезонансных воздействийЛогинов Сергей Сергеевич

    Исследование и разработка методов и устройств коррекции перекрестных искажений сигналов в системах ЦТМуса, Мохамед Ахмед

    

    Исследование и оптимизация алгоритмов и устройств уровневой обработки сигналов в системах радионаблюденияБондарь Павел Александрович