Обеспечение когерентности обработки сложных сигналов миллиметрового диапазона

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, я способы реализации длительности интервала когерентной обработки сигналов равной нескольким десятым долям секунды, что является важным условием повышения тактико-технических 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. Это 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 основе сравнения нескольких схем, реализующих различные способы формирования высокостабильных колебаний ММДВ, определены основные условия и параметры, при которых достигается заданная длительность интервала когерентности. Получены рекомендации для расширения интервала когерентности.

На защиту выносятся.

1. Результаты цифрового математического моделирования оптимальной обработки сложных сигналов в радиоприемном тракте, позволившие определять предельно допустимые фазовые ошибки в структуре сигналов для их когерентной обработки на примерах пачек немодулированных и ЛЧМ сигналов.

2. Метод оценки степени искажений фазовой структуры сложных радиосигналов, вносимых радио-трактами приемопередатчика, основанный на интегрировании спектральной плотности мощности фазового шума, полученной в результате экстраполяции данных измерений спектральной мощности фазового шума в область малых отстроек частоты от несущей. Методика включает процедуру взвешивания спектральной плотности мощности фазового шума функцией окна, соответствующей двухвыборочной дисперсии, как функцией наиболее точно отражающей процедуру измерения фазового сдвига в задаче определения длительности интервала когерентности.

3. Алгоритм вычисления фазовой модуляции высокостабильного колебания по не квадратурной выборке его значений, позволяющий получать заданную точность определения фазовых уходов, независящую от величины частоты дискретизации и основанный на интерполяции сигнала.

4. Результаты анализа вариантов построения аппаратуры устройства задающего генератора и рекомендации по использованию ряда схем построения аппаратуры для достижения как максимального интервала когерентной обработки сигналов ММДВ, так и минимизации быстрых фазовых флуктуаций на более коротких интервалах времени для уменьшения потерь согласованной фильтрации пачечного сигнала.

В первой главе проведен обзор литературы, посвященный методам измерений и оценок фазовых флуктуаций высокостабильных колебаний СВЧ сигналов, обсуждены вопросы описания параметров стабильности частоты и фазы основных типов прецизионных источников СВЧ колебаний, способы оценки флуктуаций фазы, применяемые в настоящее время, их достоинства и недостатки. В результате этого рассмотрения показано, что задача определения максимального интервала когерентной обработки сложных сигналов состоит из определения таких основных параметров флуктуаций как:

— зависимость двухвыборочной дисперсии частоты о2/г) от интервала наблюдения (выборки) г,.

— зависимость дисперсии частоты (бу^) от интервала времени между выборками Т при фиксированном времени выборки т. Оба эти параметра выражаются через спектральную плотности фазового шума, и могут быть оценены с требуемой точностью.

Во второй главе рассмотрена структура построения аппаратуры радиотрактов формирования и обработки сложных сигналов ММДВ. Показано, что схема построения аппаратуры формирования и обработки сложных сигналов, использующая получение всех выходных сигналов из одного высокостабильного колебания, а так же одинаковые сигналы для преобразователей частоты трактов приемника и передатчика, позволяет добиваться минимального влияния вносимых радио-трактами фазовых шумов по сравнению с другими вариантами построения системы.

На основе цифровой математической модели рассчитаны зависимости потерь обработки от параметров фазового шума для пачки немодулированных радиоимпульсов и пачки ЛЧМ сигналов. Определены предельно допустимые величины быстрых фазовых флуктуаций и медленного дрейфа фазы. Показано, что эти два параметра оказывают наибольшее влияние на когерентность обработки сигналов. Если амплитуда кратковременных фазовых флуктуаций (за период одиночного радиоимпульса) в основном влияет на потери обработки сигнала, то усредненный на всем интервале наблюдения дрейф фазы определяет длительность интервала времени на котором возможно осуществлять когерентную обработку.

В третьей главе обсуждены способы определения параметров фазовой модуляции высокостабильного колебания по не квадратурной выборке его цифровых отсчетов. Представлен алгоритм вычисления параметров модуляции, построенный на основе интерполяции сигнала. Показано, что он позволяет получать заданную точность определения параметров фазовой модуляции сигнала независимо от соотношения величин частоты дискретизации и частоты исследуемого колебания. Алгоритм позволяет сократить объем вычислений и размер массива выходных отсчетов, описывающих флуктуации фазы сигнала, по сравнению с алгоритмом, основанным на построении аналитического сигнала. Полученные оценки достижимой точности определения фазовых флуктуаций свидетельствуют о возможности использования его для исследования сигналов с уровнем спектральной плотности фазового шума до минус 160 дБн/Гц.

В четвертой главе рассмотрен метод оценки фазовых искажений внутренней структуры сложных радиосигналов, вносимых радио-трактами приемопередатчика. Он основан на интегрировании спектральной плотности мощности фазового шума, полученной в результате экстраполяции данных измерений спектральной мощности фазового шума в область малых отстроек частоты от несущей. Методика включает процедуру взвешивания спектральной плотности мощности фазового шума функцией окна, соответствующей двухвыборочной дисперсии, как функцией, наиболее точно отражающей процедуру измерения фазового сдвига в задаче определения длительности интервала когерентности.

Полученные оценки параметров фазового шума для ряда вариантов построения аппаратуры устройства задающего генератора позволили дать рекомендации по их использованию для достижения как максимального интервала когерентной обработки сигналов ММДВ, так и минимизации быстрых фазовых флуктуаций на более коротких интервалах времени для уменьшения потерь согласованной фильтрации пачечного сигнала.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Показано, что два параметра нестабильности частоты и фазы колебаний: зависимость двухвыборочной дисперсии частоты о2/тшт) от длительности интервала наблюдения тпот, где тполн полная длительность пачечного сигнала, и зависимость дисперсии частоты (бу£) от интервала времени между выборками.

Т при фиксированном времени выборки т, равное длительности одиночного импульса пачки, определяют основные параметры когерентной обработки пачечного сигнала, такие как эффективность обработки и достижимая длительность накопления. Оба эти параметра выражаются через спектральную плотности фазового шума и могут быть оценены с требуемой точностью на интервалах времени до нескольких секунд по данным спектральных измерений.

Проведено цифровое математическое моделирование согласованной фильтрации сложных сигналов в радиоприемном тракте, которое позволило количественно оценить влияние быстрых фазовых флуктуаций на потери когерентной обработки для пачек немодулированных и ЛЧМ сигналов.

Проведено обоснование структуры построения схемы формирования и обработки сложных сигналов, которая позволяет добиваться минимального влияния вносимых фазовых шумов по сравнению с другими вариантами построения схемы.

Предложен цифровой алгоритм, вычисляющий параметры фазовой модуляции высокостабильного колебания по не квадратурной выборке его цифровых отсчетов. Показана его высокая точность и эффективность при анализе выборки большой длительности.

Предложен метод оценки параметров фазовых флуктуаций высокостабильных колебаний ММДВ, основанный на интегрировании распределения спектральной плотности мощности фазового шума, полученной в результате экстраполяции данных измерений спектральной мощности фазового шума в область малых отстроек частоты от несущей. Алгоритм включает процедуру взвешивания спектральной плотности мощности фазового шума функцией спектрального окна, соответствующей процессу измерения медленного дрейфа фазы на интервале наблюдения.

Проведен анализ и даны рекомендации по использованию ряда схем построения источника высокостабильного опорного колебания миллиметрового диапазона длин волн с целью достижения как наибольшего интервала когерентной обработки, так и минимизации потерь обработки. Проведенные экспериментальные исследования и расчеты показали, что на интервалах времени менее ЮОмс автогенератор сантиметрового диапазона на биполярных транзисторах, стабилизированный дисковым диэлектрическим резонатором, обладает характеристиками фазовых шумов, обеспечивающими получение минимальных потерь обработки пачечного сигнала миллиметрового диапазона. Для реализация интервалов когерентной обработки таких сигналов на интервалах времени более 100 мс необходимо использовать источник на основе кварцевого резонатора диапазона 80 — 120 МГц и цепочки умножения частоты.

К?