Обеспечение когерентности обработки сложных сигналов миллиметрового диапазона

• Автор: Богомолов, Дмитрий Вячеславович
• Шифр специальности: 05.12.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 76 с. : ил.

Содержание
Введение
СОДЕРЖАНИЕ

Глава 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ФАЗЫ И ЧАСТОТЫ ВЫСОКОСТАБИЛЬНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
1Л. Введение
1.2. Модель сигнала генератора, основные определения
1.3. Описание стабильности частоты в частотной области
1.4. Описание стабильности частоты во временной области
1.5. Связь показателей нестабильности во временной и частотной областях
1.6. Нестабильность частоты на временном интервале при фиксированном времени усреднения
Глава 2. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ФАЗОВЫХ ИСКАЖЕНИЙ НА
КОГЕРЕНТНОСТЬ ФОРМИРОВАНИЯ И ОБРАБОТКИ СЛОЖНЫХ СИГНАЛОВ
1.1 Структура радио-трактов когерентной РЛС.
1.2. Характеристики сложных сигналов и их зависимости от фазовых искажений
1.3. Оценки потерь обработки сложного сигнала, вызванных кратковременными фазовыми флуктуациями.
Глава 3. ЦИФРОВЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ФАЗОВОЙ МОДУЛЯЦИИ ВЫСОКОСТАБИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ 1/2
3.1. Методы вычисления параметров фазовой модуляции
3.2. Алгоритм вычисления параметров фазовой модуляции на основе интерполяции сигнала
3.3. Оценка спектральной плотности шума алгоритма вычисления фазовой модуляции на основе интерполяции сигнала
Глава 4. ОЦЕНКА ИНТЕРВАЛОВ КОГЕРЕНТНОСТИ
ВЫСОКОСТАБИЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ СИГНАЛОВ ММДВ
4.1. Опорные источники высокостабильных колебаний
4.2. Способ экстраполяции спектральной плотности фазового шума в область малых отстроек частоты
4.3. Методика оценки достижимого интервала когерентности
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
Список литературы
Приложения
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы
В настоящее время все большее применение находят радиосистемы, использующие сложные радиосигналы, т.е. сигналы у которых величина произведения длительности на ширину спектра много больше единицы. Такие системы имеют высокую эффективность и при решении различных радиолокационных задач. Сложные сигналы позволяют повышать разрешающую способность системы, как по времени ( дальности ) и частоте (скорости ), так и увеличивать ее энергетический потенциал. Ширина спектра частот сложных сигналов может достигать нескольких сотен МГц, а длительность десятых долей секунды, таким образом произведение этих величин ( база сигнала ) оценивается величиной в несколько десятков тысяч, что говорит о сложной фазовой структуре сигнала. Реализация потенциальных свойств сложных сигналов достигается при их когерентном формировании и обработке, поэтому обеспечение когерентности сложных сигналов является важной и актуальной задачей.
Радиолокационные системы чаще всего проектируются для работы в недиспергирующих средах, там где искажения сигналов малы. Высокие точности цифровых методов формирования и обработки сигналов позволяют минимизировать ошибки, вносимые в фазовую структуру сигналов на видеочастотах. В этих условиях процедура переноса сигналов в СВЧ, и особенно в миллиметровый диапазон длин волн, становится основным источником искажений фазовой структуры сигналов. Аппаратура радио-трактов приемника и передатчика, обеспечивая такие функции, как избирательность по частотным каналам приемника, подавление внеполосных излучений передатчика, быструю перестройку частот сигналов несущих и гетеродинов, смену видов модуляции сигнала и подключение соответствующих схем обработки, сама становится сложной системой. Меры, направленные на сохранение когерентности всех сигналов в такой системе, еще больше усложняют ее структуру, так как основным приемом для поддержания когерентности является формирование всех сигналов системы из одного высокостабильного колебания. Сложность структуры устройства задающего генератора ( УЗГ ) делает задачу анализа вносимых аппаратурой радио-трактов фазовых шумов комплексной. Поэтому разработка способов обеспечения требуемых параметров фазовой структуры сигналов, длительности интервала когерентной обработки и в целом обеспечение когерентной обработки сложных сигналов миллиметрового диапазона является актуальной проблемой, требующей детального рассмотрения состава и характеристик аппаратуры.
Используя методику анализа влияния параметров радио-трактов на искажения фазовой структуры сложных сигналов, можно более точно определять требования к аппаратуре, а, следовательно, и способы реализации длительности интервала когерентной обработки сигналов равной нескольким десятым долям секунды, что является важным условием повышения тактикотехнических характеристик радиолокационных систем. Необходимо отметить, что, к сожалению, при всем многообразии методов оценки кратковременных и долговременных фазовых флуктуаций колебаний, получение точных оценок фазовых шумов высокостабильных колебаний миллиметрового диапазона на рассматриваемых временных интервалах остается сложной проблемой
связано, как с невозможностью получения требуемых длительностей задержек при измерениях во времени, так и с понижением точности оценок фазовых флуктуаций, получаемых по данным измерений в спектральной области, при увеличении интервала наблюдения до нескольких десятых долей секунды. Поэтому повышение точности оценки фазовых шумов высокостабильных СВЧ колебаний является важной частью задачи обеспечения когерентности сложных сигналов.
Целью диссертационной работы является:
-исследования влияния фазовых шумов аппаратуры формирования и обработки на характеристики сложных сигналов миллиметрового диапазона, определение параметров предельно допустимых искажений;
- анализ схем формирования и обработки сложных сигналов миллиметрового диапазона с целью определения схемы,, позволяющей минимизировать влияния фазовых шумов, вносимых аппаратурой радио-трактов;
- разработка метода, обеспечивающего требуемую точность, оценки параметров фазовых флуктуаций высокостабильных колебаний миллиметрового диапазона на интервалах наблюдения до нескольких десятых долей секунды по результатам измерений спектральной плотности фазового шума;
- исследование способов увеличения интервала когерентной обработки сложных сигналов миллиметрового диапазона длин волн (ММДВ)
Научная новизна.
Предложены критерии определения допустимости степени фазовых искажений сигналов с большой базой, определены их предельные значения. В качестве основного критерия рассматриваются потери оптимальной обработки сигнала. На основе цифрового математического моделирования получены количественные оценки потерь оптимальной фильтрации сложных сигналов, вызванные искажениями фазовой структуры сигналов.
Разработан метод оценки параметров фазовых флуктуаций высокостабильных колебаний ММДВ на интервалах наблюдения до нескольких десятых долей секунды, основанный на экстраполяции спектральной мощности фазового шума, полученной в рабочем диапазоне отстроек частоты стандартных измерительных приборов, в интересуемый диапазон отстроек частоты. Экстраполяция производится на основе модели зависимости спектральной плотности фазового шума от частоты, учитывающей преобразования сигнала при его формировании. Методика включает получение зависимости СКО фазы колебания от интервала наблюдения на основе интегрирования спектральной плотности мощности фазового шума с использованием частотного окна. Показано, что функция частотного окна двухвыборочной дисперсии (дисперсии Аллана ) наилучшим образом отражает процесс измерения фазового дрейфа и соответствует задаче определения величины интервала когерентности.
Проведен анализ и цифровое математическое моделирование нескольких способов формирования высокостабильных колебаний ММДВ. Разработан и реализован цифровой алгоритм определения паразитной модуляции фазовой структуры сложных сигналов по не квадратурной выборке цифровых отсчетов сигнала. Выполнено сравнение точности и эффективности представляемого алгоритма с алгоритмами на основе построения аналитического сигнала с использованием преобразование Гильберта и на основе цифровой модели аппаратуры квадратурного преобразователя во временной области. Алгоритм эффективен для определения как быстрых, так и интегральных значений фазовых отклонений.
на среднеквадратическое отклонение фазы на интервале длительности сигнала пачки, определяют потери обработки отдельного радиоимпульса и суммирования пары соседних импульсов. С другой стороны, если задаться потерями обработки, то можно получить ограничения, которые необходимо наложить на параметры кратковременных фазовых флуктуаций. В этом параграфе методами цифрового математического моделирования будут получены зависимости потерь оптимальной фильтрации БЧМ и ЛЧМ сигналов от величины искажений их фазовой структуры. Так как длительность одиночного сигнала не превышает 100 мкс, то соответствующая таким кратковременным фазовым шумам спектральная плотность располагается на частотах больших 10 кГц. В этом диапазоне отстроек частоты от несущей спектральная плотность фазового шума высокостабильных источников частоты близка к константе. Это позволяет использовать для моделирования вносимого фазового шума белый шум.
Цифровой алгоритм оптимальной обработки сложных сигналов моделировал аналоговую согласованную фильтрацию сигналов в приемном тракте. При моделировании использовалось представление сигналов, как во временной так и в частотной областях [ 40].
Моделирование обработки одиночного радиоимпульса без внутриимпульсной модуляции проводилось в частотной области. Входной сигнал дискретизировался, выполнялось преобразование Фурье последовательности его отсчетов, полученный спектр перемножался на известный комплексный коэффициент передачи оптимального фильтра, после чего обратным преобразованием Фурье получался выходной сигнал. В реальной системе обработка осуществлялась полосовьм квазиоптимальным фильтром на промежуточной частоте равной 105 МГц. Длительность одиночного сигнала равна 100 мкс. Количество отсчетов для представления такого сигнала по теореме Котельникова должно быть не менее 21000. Так как для выполнения преобразования Фурье удобно использовать стандартный алгоритм БПФ с основанием 2 [ 41 ], полученный размер последовательности необходимо увеличить до ближайшего числа N=2™. В данном случае N=32768=2'/ Дополнение последовательности производилось нулевыми отсчетами, это позволило в соответствующее количество раз увеличить масштаб представления сигнала в спектральной области и улучшить точность представления частотной характеристики Н(со) оптимального фильтра.
Так как АЧХ и ФЧХ реальных полосовых фильтров не определены в области отрицательных частот, то их необходимо продолжить в эти области в соответствии со следующим выражением:
Н(-со) = Н*(а>),
где И* (со) - число комплексно сопряженное с Н(а>). Такой прием является наиболее общим и учитывает, что у фильтров как четного, так и нечетного порядка модуль коэффициента передачи является четной функцией, а фазовая нечетной функцией частоты [ 42 ]. Необходимо также заметить, что при использовании БПФ размерностью в N отсчетов для получения спектра входного сигнала, отрицательным частотам соответствуют отсчеты с номерами с N/2+1 по N. При этом соответствие между отрицательными компонентами спектра 8(-Дсои) и номерами отсчетов п выходной последовательности БПФ определяется выражением
8(-Лат) = 3(И+1-п) при п=1.2,..М/2.
(2.11)