Анализ модуляционных характеристик квадратурного формирователя радиопомех с широкополосной угловой модуляцией при использовании цифровой обработки модулирующего сигнала Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396.62

АНАЛИЗ МОДУЛЯЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КВАДРАТУРНОГО ФОРМИРОВАТЕЛЯ РАДИОПОМЕХ С ШИРОКОПОЛОСНОЙ УГЛОВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ МОДУЛИРУЮЩЕГО СИГНАЛА

С.А. Шерстюков

В статье приведен анализ модуляционных характеристик квадратурного фазового модулятора, реализующего широкополосные маскирующие фазомодулированные помехи с индексом модуляции т<10ппри использовании микропроцессорных функциональных преобразователей модулирующего напряжения

Ключевые слова: модуляционная характеристика, цифровые функциональные преобразователи

В настоящее время, для радиоэлектронного подавления (РЭП) систем радиосвязи, основанных на широкополосных технологиях, применяются активные маскирующие фазомодулированные (ФМ) (и частотно-модулированные (ЧМ)) шумовые помехи с высокими значениями девиаций частот, которые в технической литературе называют заградительными шумовыми помехами [1]. Спектр мощности заградительной помехи в отличие от узкополосной помехи позволяет без пропусков перекрывать спектр сигнала за счёт равномерного распределения энергии помехи в части подавляемой полосы частот. Однако, в процессе генерирования, формирования и усиления помеховых сигналов в трактах передатчиков возникают паразитные амплитудная и фазовая модуляции, которые ведут к ухудшению качества помехи, неэффективному расходу мощности помехового ресурса и снижению заметности станций помех. В связи с этим, представляется целесообразным провести анализ амплитудных и

фазовых модуляционных характеристик квадратурного формирователя широкополосных помех с угловой модуляцией в зависимости от точности реализации цифровых функциональных преобразователей модулирующего напряжения.

На рис. 1 показана структурная схема квадратурного фазового модулятора (КФМ) на базе балансных модуляторов в квадратурных каналах, реализующая индекс модуляции т<10п в зависимости от точности реализации функциональных преобразователей шумового модулирующего напряжения. Как отмечалось в работах [2, 3], формирование индекса модуляции т<10п возможно только при использовании цифровых функциональных преобразователей, реализующих табличный метод вычисления функций синуса и косинуса с предварительной фильтрацией модулирующего напряжения.

Рис. 1. Структурная схема квадратурного формирователя широкополосной ФМ-помехи на базе балансных модуляторов в квадратурных каналах и цифровыми функциональными преобразователями модулирующего напряжения: АЦП - аналогоцифровой преобразователь, ЦКП, ЦСП - цифровые косинусный и синусный преобразователи, ЦАП - цифро-аналоговые преобразователи, ФНЧ - фильтры нижних частот, ИМС - источник модулирующего напряжения, ГВЧ - генератор высокой частоты, ФВ - фазовращатель на п/2, БМ1, БМ2 - балансные модуляторы (перемножители сигналов), С - линейный сумматор

Шерстюков Сергей Анатольевич - ВИ МВД России, канд. техн. наук, доцент, E-mail: [email protected].

Работа схемы. Сформированное в ГВЧ гармоническое колебание u1=U1cosat поступает на вход БМ1, а также на ФВ, сдвигающий его фазу на п/2, при этом, на выходе ФВ имеется напряжение u2=U1cos(at+ п/2), которое поступает на вход БМ2. Модулирующее гармоническое напряжение e=EsmПt после преобразований в ЦКП и ЦСП по табличному методу с предварительной фильтрацией входного сигнала в режиме формирования индекса фазовой модуляции тр<10ж, на выходах ФНЧ, имеет вид

eK =

1 - —E2 sin2 Dt + —E4 sin4 Dt m... 2! 4!

+ -^E98 sin98 Dt + Дsinx(n),

98!

EsinDt-—E3 sin3 Dt ±...

. 3!

——E99 sin99 Dt + Дsinx(n),

99!

(1)

(2)

где Asinx(n) - погрешность вычисления входного параллельного кода функции sin x(n), которая при 8-ми разрядном представлении входных и выход-

ных отсчетов не превышает значения 0,00195.

На выходах БМ1 и БМ2 напряжения, при кБМ1,2=1, соответственно равны

U3 — U—

U4 — U

f1 - —E2 sin2 Dt + —E4 sin4 Dt m... 2! 4!

+ -^E98 sin98Dt + Дsinx(n) v 98!

f 1 3 3 А

E sin Dt--------E sin Dt ±...

3!

——E99 sin99 Dt + Дsinx(n)

V 99! ,

cos rat,

(3)

cosí rat + -

(4)

Складывая (3) и (4) в линейном сумматоре С, на выходе КФМ формируется сигнал:

uc=Uccos(wt+рc), где

2

e

с

Uc — U¡,

1 - — E2 sin2 Dt +—E4 sin4 Dt m... + —1- E98sin98Dt + Osvnx(n) , 2! 4! 98!

|+| E sin Dt - — E3 sin3 Dt ±... - E99 sin99 Dt + Дsmx(n)\

2

(5)

Фс —

1 - — E2 sin2 Dt + 4E4 sin4 Dt m... + -987E98sin98Dt + Дsinx(n) | +

—

4!

—

98!

+ | E sin Dt -—E3 sin3 Dt ±... - E99 sin99 Dt + Дsinx(n) I

где ис и рс - амплитудная и фазовая модуляционные характеристики с учётом погрешности вычисления Аътх(п).

Для реализации с помощью структурной схемы на рис. 1 широкополосных помех с частотной модуляцией, необходимо после АЦП осуществить интегрирование модулирующего гармонического напряжения e=EsinQt.

Как отмечалось в [3], в качестве АЦП в структурной схеме использована микросхема ЛБ9280, представляющая собой быстродействующий 8-ми разрядный АЦП. Микросхема ЛЭ9280 имеет внутренний источник опорного напряжения и сконфигурирована на работу с входным сигналом, изменяющимся от 0В до 2В. Типовая схема включения ЛЭ9280 приведена на рис. 2.

2 А

(6)

E sin Dt,

В табл. 1 приведено соответствие между значениями индекса фазовой модуляции тр и амплитудой модулирующего напряжения е, при использовании в КФМ цифровых функциональных преобразователей.

2

+

2

Соответствие между значениями индекса фазовой модуляции тр и амплитудой модулирующего напряжения е

тр [рад] п 2п 3п 4п 5п 6п 7п 8п 9п 10п

е, [В] 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

На рис. 3 и рис. 4 представлены соответственно графики амплитудных и с = Р () и фазовых (рс=¥(г) модуляционных характеристик КФМ без учёта погрешностей вычислений &тх(п). В табл. 2

и табл. 3 сведены реализуемые численные значения ис и рс при изменении модулирующего напряжения е от 0 до 2 В (тр изменяется от 0 до 10п).

Рис. 3. Амплитудные модуляционные характеристики КФМ с балансными модуляторами в квадратурных каналах и цифровыми функциональными преобразователями модулирующего напряжения без учёта погрешностей вычислений Ажх(п)

Рис. 4. Фазовые модуляционные характеристики КФМ с балансными модуляторами в квадратурных каналах и цифровыми функциональными преобразователями модулирующего напряжения без учёта погрешностей вычислений Ажх(п)

Реализуемые значения ис в зависимости от е

е, В и с, В 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

ис1 1 1 - - - - - - - - -

ис2 1 1 1 - - - - - - - -

исз 1 1 1 1 - - - - - - -

иа 1 1 1 1 1 - - - - - -

ис5 1 1 1 1 1 1 - - - - -

исб 1 1 1 1 1 1 1 - - - -

ис7 1 1 1 1 1 1 1 1 1 - -

ис8 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 -

ис9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

ис10 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Реализуемые значения <рс в зависимости от е

Таблица 3.

е, В фарад 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

фс1 0 3,14 - - - - - - - - -

фс2 0 3,14 6,28 - - - - - - - -

фс3 0 3,14 6,28 9,42 - - - - - - -

фс4 0 3,14 6,28 9,42 12,56 - - - - - -

фс5 0 3,14 6,28 9,42 12,56 15,7 - - - - -

фс6 0 3,14 6,28 9,42 12,56 15,7 18,84 - - - -

фс7 0 3,14 6,28 9,42 12,56 15,7 18,84 21,98 - - -

фс8 0 3,14 6,28 9,42 12,56 15,7 18,84 21,98 25,12 28,26 -

фс9 0 3,14 6,28 9,42 12,56 15,7 18,84 21,98 25,12 28,26 31,4

фс10 0 3,14 6,28 9,42 12,56 15,7 18,84 21,98 25,12 28,26 31,4

В табл. 4 представлены зависимости значений индексов фазовой модуляции от степени и количества реализуемых членов разложения ряда Тейлора с использованием микропроцессорных функциональных преобразователей, а также показано соответствие выходных значений амплитуд ис и фаз рс реализуемым функциям синуса и косинуса. В таблице 4 использованы следующие обозначения: ^1П - количество членов разложения ряда Тейлора функции синуса; Ыса, - количество членов разложения ряда Тейлора функции косинуса, необходимые для реализации цифровыми функциональными преобразователями заданного значения индекса фазовой модуляции шр; я, с - максимальные значения степеней аппроксимирующих полиномов функций синуса и косинуса соответственно, определяющие

алгоритм работы цифрового функционального преобразователя.

Из анализа амплитудных и фазовых модуляционных характеристик КФМ, без учёта погрешностей вычислений А$,\ш(п) (рис. 3, рис. 4, табл. 2, табл. 3), следует, что в соответствии с табл. 1, для всех значений индексов фазовой модуляции тр от 0 до 31,4 рад, сохраняется линейная зависимость между амплитудой модулирующего напряжения е и выходными амплитудами и фазами ФМ-сигнала. Одновременно, фазовые модуляционные характеристики рс8 и рс9 сохраняют линейные зависимости при значениях е=1,8 В и е=2 В, а амплитудные модуляционные характеристики Пс7, Пс8 и Пс9 - при значениях е=1,6 В, е=1,8 В и е=2 В, что на 3,14рад превышает теоретически заданные диапазоны для выходных фаз и амплитуд.

Значения индексов фазовой модуляции в зависимости от количества реализуемых членов разложения ряда Тейлора

Значение шр [рад] Вычисляемая Степени аппроксимирую- Количество членов раз- Выходные ампли-

функция щих полиномов, ложения ряда, туды и фазы

s, с N ■ N 1 v sin 1 v cos

Uc <Pc

sin s = 9 Ns¡n = 5

п (3,14) cos с = 8 Ncos = 4 Uc1 <Pc1

sin s = 19 Nsn = 10

2п (6,28) cos с = 18 Ncos = 9 UC2 Pc2

sin s = 29 Nsn = 15

3п (9,42) cos с = 28 Ncos = 14 UC3 Pc3

sin s = 39 Nsn = 20

4п (12,56) cos с = 38 Ncos = 19 UC4 Pc4

sin s = 49 Nsn = 25

5п (15,7) cos с = 48 Ncos = 24 UC5 Pc5

sin s = 59 Nsin = 30

6п (18,84) cos с = 58 Ncos = 29 UC6 pc6

sin s = 69 Nsn = 35

7п (21,98) cos с = 68 Ncos = 34 UC7 Pc7

sin s = 79 Nsin = 40

8п (25,12) cos с = 78 Ncos = 39 UC8 Pc8

sin s = 89 Nsin = 45

9п (28,26) cos с = 88 Ncos = 44 Uc9 pc9

sin s = 99 Nsn = 50

10п (31,4) cos с = 98 Ncos = 49 Uc10 pc10

На рис. 5 и рис. 6 представлены соответственно графики амплитудных ис = Г (е) и фазовых рс = ¥(е) модуляционных характеристик КФМ с учётом погрешностей вычислений Абіпх(п) в зависимости от значений разрядности представления чисел п, при тр =10п. На этих графиках цифрами обозначены: 1 - модуляционные характеристики без учёта погрешностей синусно-косинусного преобразования (идеальные характеристики); 2 - модуляционные характеристики, учитывающие погрешности

синусно-косинусного преобразования при значении разрядности представления чисел n=8; 3 - при n=10; 4 - при n=12; 5 - при n=14.

В табл. 5 сведены численные значения ошибок вычисления входного параллельного кода функции модулирующего напряжения при различных значениях разрядности представления чисел n. Из табл. 5 видно, что при увеличении значений n ошибка вычисления Д sin x(n) уменьшается.

Таблица 5.

Численные значения ошибок вычисления входного параллельного кода функции в зависимости от значений разрядности представления чисел

Значение разрядности представления чисел, n Значение ошибки вычисления, Д sin x(n)

8 1,957 10-3

8 1,954 10-3

10 4,885 10-4

10 4,883 10-4

12 1,221 -10-4

12 1,221 -10-4

14 3,052-10-5

14 3,052-10-5

~£Ш

Рис. 5. Амплитудные модуляционные характеристики КФМ с балансными модуляторами в кваДратурных каналах и цифровыми функциональными преобразователями модулирующего сигнала с учётом погрешностей вычислений А&тх(п) в увеличенном масштабе

yv X ґ

s

Рис. 6. Фазовые модуляционные характеристики КФМ с балансными модуляГйрами в квадратурных каналах и цифровыми функционалюыми Преобразо&телями й^ду-лирующего сигнала с учётом погрешностей вычислений Аътх(п) в увеличенном масштабе

Графики на рис. 5 и рис. 6 показывают, что учёт погрешностей вычислений А$лпх(п), при минимальном значении разрядности представления чисел п=8 (кривые 2), вызывает отклонения амплитудной модуляционной характеристики на 0,25% и фазовой модуляционной характеристики - на 0,7%, что не превышает установленного требованиями значения 1%. В то же время, при увеличении числа разрядности (п=10, п=12, п=14) отклонения модуляционных характеристик от идеальных уменьшаются (кривые 3, 4, 5 соответственно), следовательно, точность реализации помеховых сигналов с угловой модуляцией КФМ на базе балансных модуляторов в квадратурных каналах и цифровыми функциональными преобразователями модули-

рующего напряжения будет повышаться.

Литература 4

1. Ипатов В.П. Широкополосные системы и кодовое разделение сигналов. Принципы и приложения. - М.: Техносфера, 2007. - 488 с.

2. Шерстюков С.А. Разработка цифровых функциональных преобразователей модулирующего напряжения на основе интерполяционных методов для использования в квадратурных формирователях радиопомех с угловой модуляцией // Вестник ВГТУ: науч. журнал / Воронежский государственный технический университет. - Воронеж, 2009. - Вып. № 5. - С. 180 - 187.

3. Шерстюков С.А. Техническая реализация и экс-

периментальное исследование микропроцессорных функциональных преобразователей шумового модулирующего напряжения для квадратурных модуляторов, формирующих широкополосные помеховые радиосигналы с угловой модуляцией // Вестник ВГТУ: науч. журнал / Воронежский государственный технический университет. -Воронеж, .2009. -В#ш. № 5. - С. 222-.227. 2 Є, В

Воронежский институт Министерства внутренних дел России

THE ANALYSIS OF MODULATION CHARACTERISTICS OF THE QUADRATURE SHAPER OF STRAYS WITH BROADBAND ANGULAR MODULATION AT USE OF DIGITAL MACHINING THE MODULATING SIGNAL

ч S.A. Sherstukov

<Pc, pad

In paper the analysis of modulation characteristics of the quadrature phase modulator implementing broadband masking interferences with a modulation index m<10nat use of microprocessor functional converters of the modulating voltage is lead

Keywords: modulation characteristics, digital functional converters ^

30,615

29,045