УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННОГО СИГНАЛА С ПЛАВНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ФАЗЫ МЕЖДУ ЭЛЕМЕНТАРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться в системах радиосвязи и радиолокации.

Технический результат - увеличение частоты на коротком интервале времени, меньшем длительности элементарного импульса, предшествующем моменту изменения фазы на 180°.

Известно устройство для формирования фазоманипулированного (фазомодулированного) сигнала, содержащее полосовой фильтр, генератор манипулирующих импульсов и последовательно соединенные генератор несущей частоты и формирователь импульсов (авторское свидетельство СССР №492045, кл. H04L 27/20, 1973).

Известно также устройство для формирования фазоманипулированного (фазомодулированного) сигнала, содержащее полосовой фильтр, генератор манипулирующих импульсов и последовательно соединенные генератор несущей частоты, формирователь импульсов, блок управления, последовательно соединенные генератор несущей частоты, формирователь импульсов, блок управления, последовательно соединенные генератор пилообразного напряжения, сумматор, пороговый блок и одновибратор, выход которого подключен к входу полосового фильтра, при этом выход генератора манипулирующих импульсов через блок управления соединен с вторым входом сумматора, на третий вход последовательно подан регулируемый постоянный сигнал, а выход формирователя импульсов подключен к входу генератора пилообразного напряжения (авторское свидетельство СССР №628632, кл. H04L 27/20, 1978).

Известно устройство формирования фазоманипулированного радиосигнала, содержащее два генератора с разными начальными фазами, подключенные к разным входам ключевого устройства, к управляющему входу которого подключен генератор псевдослучайной последовательности (ПСП), имеющий один выход, являющийся выходом устройства (Васильев К.К., Глушков В.А., Дормидонтов А.В., Нестеренко А.Г. Теория электрической связи: учебное пособие / под ред. К.К. Васильева. Ульяновск.: Ул. ГТУ, 2008. 452 с.).

Известно также устройство, содержащее генератор высокой частоты, подключенный к фазовому манипулятору, к управляющему входу которого подключен генератор ПСП, а выход которого является выходом устройства (Шахгильдян В.В, Козырев В.Б., Ляховкин А.А. Радиопередающие устройства: Учебник для вузов / под ред. В.В. Шахгельдяна. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 2003. 560 с.).

Недостатком известных устройств является появление в формируемых фазоманипулированных сигналах разрывности в моменты скачкообразного изменения фазы при модуляции несущего колебания модулирующей последовательностью прямоугольных импульсов, приводящей при приеме таких сигналов к энергетическим потерям и, следовательно, к ухудшению их коэффициентов сжатия, уменьшению отношений сигнал/шум, влекущих уменьшение вероятности правильного обнаружения, точности измерения параметров сигналов и снижению максимальной дальности действия систем радиолокации и связи (Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы: Теория и применение: М.: Сов. радио, 1971. 568 с. - 262 с.; Нахмансон Г.С., Суслин А.В. Влияние энергетических потерь при обработке фазоманипулированных сигналов на максимальную дальность действия и точность измерения координат в радиолокационных системах // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2015. Вып. 2. С. 51-54.).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство формирования фазоманипулированных радиосигналов. (Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985. 384 с. - на с. 47, рис 3.11).

Структурная схема устройства прототипа представлена на фиг. 1, где обозначено:

1 - генератор синхроимпульсов (ГСИ);

2 - генератор одиночных импульсов (ГОИ);

3 - многоотводная линия задержки (МЛЗ);

4.1, 4.2, 4.3 - первый, второй и третий инверторы;

5 - сумматор;

6 - балансный модулятор;

7 - генератор несущей частоты (ГНЧ).

Известное устройство содержит последовательно соединенные ГОИ 2 и МЛЗ 3, первый, второй, третий и шестой выходы (отводы) которой соединены соответственно с первым, вторым, третьим и шестым входами сумматора 5, а четвертый, пятый и седьмой выходы МЛЗ 3 соединены соответственно через первый 4.1, второй 4.2 и третий 4.3 инверторы с четвертым, пятым и седьмым входами сумматора 5, выход которого подсоединен ко второму входу балансного модулятора 6, первый вход которого соединен с выходом ГНЧ 7, а выход является выходом устройства. При этом выход ГСИ подсоединен ко входу ГОИ 2.

Работает устройство-прототип следующим образом.

Генератор синхроимпульсов 1 вырабатывает последовательность коротких синхроимпульсов (с периодом формирования фазоманипулированных сигналов, равным длительности генерируемого фазоманипулированного сигнала Баркера Nτ_и, где τ_и - длительность элементарного прямоугольного импульса, N - число импульсов в кодовой последовательности). Число импульсов N кодовых последовательностей Баркера можно выбрать из таблицы (Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985. 384 с.). В нашем случае N=7. С выхода блока 1 узкие прямоугольные импульсы подаются на блок 2, который генерирует одиночные импульсы длительностью τ_и. Одиночные прямоугольные импульсы поступают на вход блока 3, который имеет для нашего случая семь выходов (отводов), расположенных через интервалы времени, равные τ_и. Кодовая последовательность Баркера с N=7 имеет вид 111-1-11-1. В этом случае импульсы с первого, второго, третьего и шестого выходов блока 3 поступают на первый, второй, третий и шестой входы блока 5 соответственно, а импульсы с четвертого, пятого и седьмого выходов соответственно через блоки 4.1, 4.2, 4.3, которые осуществляют изменение фазы на π (180°), то есть преобразуют положительные одиночные импульсы в отрицательные, поступают на четвертый, пятый и седьмой входы блока 5. На выходе блока 5 формируется видеосигнал Баркера, который поступает на второй вход блока 6, на первый вход которого подается радиочастотное колебание с выхода блока 7. Блок 6 осуществляет фазовую модуляцию радиочастотного колебания в соответствии с кодовой последовательностью Баркера.

Недостатком этого устройства является возникновение в формируемых фазоманипулированных радиосигналах ситуаций, когда из-за случайных флуктуаций частоты несущего колебания на временных интервалах, соответствующих длительности элементарных импульсов τ_и, не укладывается целое число периодов несущего колебания, что приводит к появлению в моменты скачкообразного изменения фазы в конце импульсов разрывности, наличие которой при обработке фазоманипулированного сигнала на приемной стороне приводит к существенным энергетическим потерям, достигающим 50% и более и, соответственно, к ухудшению характеристик обнаружения фазоманипулированного сигнала, точности измерения его параметров и уменьшению максимальной дальности действия радиотехнической системы при использовании таких сигналов.

Задачей изобретения является создание устройства, позволяющего формировать фазоманипулированные радиосигналы без разрывов между элементарными импульсами в точках изменения фазы на 180°.

Технический результат заключается в формировании фазоманипулированных радиосигналов с плавным изменением фазы между элементарными импульсами, достигаемым увеличением частоты на коротком интервале времени, меньшем длительности элементарного импульса, предшествующем моменту изменения фазы на 180°.

Технический результат достигается тем, что в устройство формирования фазоманипулированных радиосигналов, содержащее последовательно соединенные генератор синхросигналов, генератор одиночных импульсов, многоотводную линию задержки, первый, второй, третий и шестой выходы (отводы) которой соединены соответственно с первым, вторым, третьим и шестым входами сумматора, а четвертый, пятый и седьмой выходы многоотводной линии задержки соединены соответственно через первый, второй и третий инверторы с четвертым, пятым и седьмым входами сумматора, выход которого соединен со вторым входом балансного модулятора, выход которого является выходом устройства, а первый вход балансного модулятора подсоединен к выходу генератора несущей частоты, согласно изобретению в устройство введены генератор треугольных импульсов, вход которого подсоединен к выходу сумматора, а выход подсоединен к управляющему входу управляемого генератора высокочастотного напряжения, выход которого является выходом устройства, а выход генератора синхросигналов подсоединен через линию задержки со входами многоотводной линией задержки, третий, пятый и шестой выходы (отводы) которой соединены с третьим, пятым и шестым входами сумматора.

Введение линии задержки позволяет задерживать синхроимпульс в пределах временного интервала, равного длительности элементарного импульса формируемого фазоманипулированного радиосигнала, и определять временной интервал, отводимый для плавного изменения фазы, достигающего 180° на границе двух элементарных импульсов, определяемый положением задержанного синхроимпульса относительно момента окончания элементарного импульса.

Подключение третьего, пятого и шестого выходов многоотводной линии задержки соответственно к третьему, пятому и шестому входам сумматора позволяет получить на его выходе три задержанных синхроимпульса, определяющих начала временных интервалов плавного изменения фаз для достижения поворота фаз на 180° на границах третьего и четвертого, пятого и шестого, и шестого и седьмого элементарных импульсов для формирования фазоманипулированного радиосигнала Баркера с N=7.

Введение в устройство генератора треугольных импульсов обеспечивает получение треугольных импульсов на временных интервалах, отведенных для плавного изменения фазы на 180°, на границе третьего и четвертого, пятого и шестого, шестого и седьмого импульсов, подаваемых в цепь управления управляемого генератора высокочастотного напряжения.

Введение управляемого генератора высокочастотного напряжения позволяет управлять изменением частоты генерируемого напряжения на выделенных временных интервалах, обеспечивающим плавное изменение фазы на 180°, на границах третьего и четвертого, пятого и шестого, шестого и седьмого импульсов путем изменения емкости варикапа, включенного в колебательный контур генератора под действием треугольных импульсов напряжения.

На фиг. 2 представлена функциональная схема предлагаемого устройства, где обозначено:

1 - генератор синхроимпульсов (ГСИ);

2 - линия задержки;

3 - многоотводная линия задержки;

4 - сумматор;

5 - генератор треугольных импульсов;

6 - управляемый генератор высокочастотного напряжения.

На фиг. 3 представлено пояснение работы предлагаемого устройства. Фиг. 3а - короткие синхроимпульсы, генерируемые ГСИ; фиг. 3б - задержанный линией задержки синхроимпульс; фиг. 3в - последовательность коротких импульсов на выходе сумматора; фиг. 3г - треугольные импульсы на выходе генератора треугольных импульсов; фиг. 3д - фазоманипулированный сигнал с плавным изменением фазы между третьим и четвертым, пятым и шестым, шестым и седьмым элементарными импульсами; фиг. 3е - идеальный фазоманипулированный сигнал с отсутствием разрывности в моменты изменения фазы.

На фиг. 4 представлена цепь питания управляемого элемента в колебательном контуре управляемого генератора высокочастотного напряжения - варикапа.

На фиг. 5 - представлена зависимость изменения емкости варикапа от управляющего напряжения U_тр.

Предлагаемое устройство содержит генератор синхроимпульсов 1, выход которого через линию задержки 2 подсоединен к многоотводной линии задержки 3, третий, пятый и шестой выходы (отводы) которой подсоединены соответственно к третьему, пятому и шестому входам сумматора 4, выход которого подсоединен ко входу генератора треугольных импульсов 5, выход которого подсоединен к управляющему входу управляемого генератора высокочастотного напряжения 6, выход которого является выходом устройства.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Генератор синхроимпульсов 1 вырабатывает короткие импульсы с периодом Т формирования фазоманипулированных сигналов Баркера (фиг. 3а), содержащего N импульсов длительностью τ_и (T=Nτ_и). Число N кодовых последовательностей Баркера можно выбрать из таблицы 3.2 с. 45 (Варакин Л.E. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985. 384 с.). В нашем случае N=7 (T=7τ_и). С выхода блока 1 короткие прямоугольные импульсы поступают на вход блока 2 (линии задержки), которая осуществляет задержку импульса на τ_и-Δτ, где Δτ=0,1÷0,25τ_и - временной интерваля. отводимый для плавного изменения фазы импульса (фиг. 3б). С выхода блока 2 задержанный короткий прямоугольный импульс поступает на вход блока 3 (многоотводной линии задержки), который для нашего случая имеет семь выходов (отводов), расположенных через интервалы времени τ_и. Кодовая последовательность Баркера с N=7 имеет вид 111-1-11-1. Изменение фазы происходит в конце третьего, пятого и шестого импульсов. Поэтому в нашем случае импульсы с третьего, пятого и шестого выводов блока 3 поступают соответственно на третий, пятый и шестой входы блока 4. На выходе блока 4 формируется последовательность коротких импульсов (фиг. 3в), которые подаются на вход блока 5, в котором формируются треугольные импульсы с длительностью Δτ (фиг. 3г). Реализуемость треугольных импульсов возможна, например, на операционном усилителе (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: пер. с англ. / под ред. М.В. Гальперина. 3-е изд. М.: Мир, 1986. 584 с.). Треугольные импульсы длительностью Δτ (фиг. 3г) поступают на управляющий вход управляемого генератора высокочастотного напряжения 6, в цепь питания варикапа (управляемого элемента в контуре генератора высокочастотного напряжения) (фиг. 4), на интервалах 3τ_и-Δτ<t<3τ_и, 5τ_и-Δτ<t<5τ_и и 6τ_и-Δτ<t<6τ_и (фиг. 3г). При отсутствия треугольных импульсов напряжения на управляющем входе управляемого высокочастотного генератора напряжения частота генерируемого напряжения генератором высокочастотного напряжения

,

где L_k и c_k - индуктивность и емкость контура генератора высокочастотного напряжения, c₀ - емкость варикапа (управляемого элемента в колебательном контуре генератора) при отсутствии на управляющем входе треугольных импульсов (фиг. 5). При поступлении на управляющий вход генератора высокочастотного напряжения треугольного импульса емкость варикапа уменьшается с c₀ до c₁, что вызывает увеличение частоты генерируемого напряжения от до на интервале от τ_и-Δτ до , F_m - максимальное отклонение частоты генерируемого напряжения от несущей частоты в момент времени . Затем на интервале от до τ_и частота изменяется от до . Тогда набег фазы на интервале от τ_и-Δτ до τ_и за счет изменения частоты должен достигать на границе двух элементарных импульсов π (180°).

.

Напряжение фазоманипулированного сигнала Баркера с N=7 на выходе управляемого генератора высокочастотного напряжения принимает вид фиг. 3д. Для сравнения на фиг. 3е. показан идеальный фазоманипулированный сигнал с отсутствием разрывности в моменты изменения фазы (Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985. 384 с.), с 47, рис 3.12.

Покажем связь F_m с Δτ.

Зависимость изменения емкости варикапа от прилагаемого напряжения за интервале от τ_и-Δτ до τ_и при поступлении треугольного импульса (фиг. 5)

.

Тогда частота генерируемого напряжения изменяется на этом интервале по закону

,

где Δc=с₀-с₁.

Так как , то на интервале τ_и-Δτ<t<τ_и

,

где - максимальное отклонение частоты от в момент времени .

В этом случае набег фазы на интервале Δτ за счет изменения частоты

Δϕ=2πF_mΔτ.

Следовательно - максимальное отклонение частоты генерируемого напряжения от несущей частоты определяется величиной обратной длительности интервала отводимого на плавное изменение фазы.

Введение в устройство блоков 2, 5 и 6 позволяет сформировать фазоманипулированный сигнал Баркера для N=7 с плавным изменением фазы на интервале Δτ между третьим и четвертым импульсами, пятым и шестым, шестым и седьмым импульсами, при обработке которого на приемной стороне энергетические потери не превышают 6% (Нахмансон Г.С., Суслин А.В. Влияние энергетических потерь при обработке фазоманипулированных сигналов на максимальную дальность действия и точность измерения координат в радиолокационных системах // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2015. Вып. 2. С. 51-54).

Предлагаемое устройство может найти применение в качестве генератора фазоманипулированных радиосигналов в системах связи и радиолокации.