CC BY
315
УДК 621.396.967
Формирование наносекундных ЛЧМ-радиосигналов на волоконно-оптических структурах
Юрий Владимирович Зачиняев, аспирант, e-mail: [email protected]
Константин Евгеньевич Румянцев, д.т.н., проф., e-mail: [email protected]
Андрей Викторович Кукуяшный, к.т.н., доцент, e-mail: [email protected]
ФГАОУ ВПО «Технологический институт Южного Федерального университета», г. Таганрог
Рассмотрены аспекты применения ЛЧМ-радиосигналов в различных областях техники; представлен обзор методов формирования ЛЧМ-радиосигналов; предложен способ формирования наносекундных радиосигналов с линейной частотной модуляцией на бинарных волоконно-оптических структурах, применение которого позволит расширить сферу использования ЛЧМ-радиосигналов, а также улучшить массогабаритные характеристики устройства и сократить энергопотребление радиолокатора.
Authors consider aspects of LFM radio signals in the various fields of engineering; present an overview of methods of generating LFM radio signal; provide a method of forming a nanosecond signals with linear frequency modulation in binary fiber-optical structures, which allow to extend the use of linear FM radio, as well as improve the weight and size characteristics of device and reduce power consumption of radar.
Ключевые слова: радиосигнал, линейно-частотная модуляция, бинарные волоконно-оптические структуры. Keywords: radio signal, line-frequency modulation, binary fiber optic structures.
Область применения радиосигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) значительно расширилась за последние десятилетия. Помимо традиционного использования в радиолокации ЛЧМ-радиосигналы (далее ЛЧМ-сигналы) нашли применение в защищенной связи [12], наблюдении в плотных средах (геолокация), медицине и гидролокации [10, 13]. Использование ЛЧМ-сигналов в различных областях радиотехники обеспечивает высокую помехоустойчивость, точность измерения параметров облучаемых объектов, а также возможность работы в каналах с низким отношением сигнал / шум [1].
В [12] показано, что использование ЛЧМ-сигналов в системах связи по сравнению с цифровыми системами CDMA (Code Division Multiply Access) позволяет упростить обработку и удешевить устройства при тех же технических характеристиках. В [10] предложен метод повышения дальности действия георадаров, основанный на использовании ЛЧМ-сигналов.
Широкое применение ЛЧМ-сигналов обусловлено возможностью достижения компромисса между двумя противоречивыми параметрами радиолокационных систем (РЛС): дальностью действия и разрешающей способностью по дальности радиолокатора.
Действительно, потенциальная разрешающая способность по дальности сложных сигналов определяется формулой
AR =-
2AFc
(1)
где ДЕС - ширина полосы сигнала; с = 3-10 м/с -скорость распространения электромагнитной волны в вакууме.
В то же время максимальная дальность обнаружения цели радиолокатора в свободном пространстве (без учета влияния Земли и поглощений в атмосфере) для точечной цели Ятах определяется энергией излучения сигнала посылки Еи , зависящей от мощности излучения и длительности импульса радиолокатора ти, коэффициентом направленного действия антенны £>а, эффективной площадью антенны ^ а, эффективной отражающей поверхностью цели 5эф , отношением сигнал/шум р, обеспечивающим обнаружение с заданной вероятностью при заданном уровне ложных тревог, энергией шума в приемной системе Еш и базой сигнала В :
R = 4
У
(4п)2 pE^
(2)
Формулы (1) и (2) показывают, что в случае использования внутриимпульсной ЛЧМ в радиолокаторе можно добиться требуемой разрешающей способности по дальности путем увеличения
c
длительности сигнала, не уменьшая при этом максимальную дальность действия радиолокатора.
Однако увеличение длительности импульса радиолокатора ти для обеспечения неизменной дальности действия радиолокатора имеет недостатки. В частности, увеличивается мертвая зона радиолокатора ЛтЬ = с(ти + ть) / 2, тем самым ограничивая область применения устройства дальним радиолокационным наблюдением. Здесь тъ - время восстановления антенного переключателя. Так, при использовании генераторов ЛЧМ-сигналов с типовой длительностью импульса 1 мс мертвая зона радиолокатора превышает 1,5 км, что неприемлемо для некоторых областей применения.
Кроме того, длинные импульсы с ЛЧМ непригодны для использования в быстродействующих и высокоточных системах связи, системах дистанционного зондирования Земли, системах геофизического мониторинга [11].
Приведенные рассуждения позволяют заключить, что в областях, связанных с высокой скоростью обработки информации и не требующих большой дальности действия радиолокатора, целесообразно применять короткие ЛЧМ-сигналы.
Для применения в медицине и геолокации требуется зона действия устройства не более 10 м. Из приведенного выше выражения для определения значения мертвой зоны радиолокатора следует, что здесь необходима длительность импульса ти = 50 нс.
Существующие методы формирования ЛЧМ-сигналов не позволяют формировать импульсы такой длительности (табл. 1). Минимальную длительность сигнала 1 мкс способны обеспечить только управляемые ЯС-генераторы (УГ), генераторы сигналов с ЛЧМ (ГЛЧМ) на основе поверхностно-акустических волн (ПАВ) и цифровые ГЛЧМ. Минимальная длительность сигналов, формируемых СВЧ ГЛЧМ, превышает 10 мкс.
Помимо невозможности формировать короткие ЛЧМ-импульсы, существующие устройства об-
ладают также рядом других недостатков. Для ГЛЧМ на ПАВ - это большие потери на преобразование электрических колебаний в акустические и обратно (35...50 дБ), узкополосность и ограничение амплитуды входного сигнала дисперсионных ЛЗ, недостаточно высокое отношение сигнал шум на выходе. Основные недостатки ГЛЧМ на УГ -низкая относительная стабильность частоты генерации, ограниченный рабочий диапазон частот. При использовании ГЛЧМ СВЧ возникает необходимость в мощных источниках питания, кроме того, они обладают неоптимальными массогабаритными параметрами [3]. Цифровые ГЛЧМ ограничены в диапазоне рабочих частот и требуют применения дополнительных устройств преобразования частоты [3, 4].
Также для обеспечения высокой разрешающей способности по дальности сигналы должны иметь достаточно широкую полосу частот, что в условиях ограниченной скорости перестройки частоты современных генераторов представляется затруднительным.
Невозможность применения традиционных методов для высокоскоростного формирования и обработки широкополосных радиосигналов, в том числе и ЛЧМ-сигналов, приводит к необходимости использования оптических методов обработки информации, например, применению для этих целей оптического волокна (ОВ). Целесообразность использования волокон обусловлена такими их свойствами, как широкая погонная полоса пропускания, высокая помехозащищенность, предельно низкие потери мощности оптического излучения, малые массогабаритные показатели [8].
Возможность применения ОВ для формирования и обработки радиосигналов обоснована в [7], где ОВ рассматривается как ключевой элемент волоконно-оптических линий задержек (ВОЛЗ). Показано, что потенциально ВОЛЗ оптических сигналов с радиочастотной модуляцией находятся вне конкуренции по сравнению с известными в
Таблица 1. Характеристики основных типов формирователей ЛЧМ-сигналов
Параметр Типы формирователей ЛЧМ-сигналов
ГЛЧМ на ПАВ ГЛЧМ на УГ СВЧ ГЛЧМ Цифровые ГЛЧМ
Диапазон рабочих частот, МГц 10...1500 10-4...102 102...105 100.1000
Девиация частоты, МГц 1...750 - - 10.100
Длительность импульса, мкс 1.150 1..100 10.103 1.103
База 4.2000 10.1000 - 10.1000
Предельный уровень боковых лепестков АКФ, дБ минус 45 - - минус 45
Относительная нестабильность частоты 10-6 10-6 10-6 10-6
Рис. 1. Структурная схема формирователя ЛЧМ-сигналов на ВОС
радиотехнике линиями задержки (ЛЗ) по таким важнейшим параметрам, как нормированное на время задержки ослабление модулированного оптического сигнала и произведение значений информационной полосы ОВ на время его задержки [2, 8]. Это стимулировало разработку разнообразных конфигураций волоконно-оптических структур (ВОС) на основе ВОЛЗ для формирования и обработки радиосигналов с ЛЧМ [7].
Возможный вариант формирователя ЛЧМ-сигналов на бинарных ВОС (БВОС), представленный на рис. 1, позволяет формировать составные ЛЧМ-сигналы со ступенчатой модуляционной характеристикой.
Обобщенный вид зависимости частоты такого ЛЧМ-сигнала от времени приведен на рис. 2, где ти - длительность сигнала; ?0 - начальное время сигнала; ^ - конечное время сигнала; тп - шаг изменения временного интервала (п = 1, N); /0 -минимальное значение частоты сигнала; / - максимальное значение частоты сигнала; А/п - шаг изменения частотного интервала (п = 1, N, где N -число интервалов).
Свойства подобных сигналов рассмотрены в [3, 9]. В данном случае сигнал представляется в виде последовательности радиоимпульсов. Число подымпульсов N формируемого составного ЛЧМ-сигнала определяется технологическими особенностями изготовления ВОЛЗ и требуемой базой сигнала [5].
Согласно обобщенной структурной схеме (см. рис. 1), оптический квантовый генератор пикосекундных импульсов (ГПИ) производит им-
пульс определенной амплитуды и подает его на вход системы БВОС. Каждая из БВОС системы формирует К +1 копий пикосекундного оптического импульса ивх длительностью твх:
ит (0 = ивх (' - тТзад X т = 0 К
где тзад - период следования копии; тзад > т
(3)
Рис. 2. Закон изменения частоты при ЛЧМ со ступенчатой характеристикой
Последовательная ^каскадная БВОС состоит из N разделительных направленных волоконных ответвителей (НВО) У-типа, N ВОЛЗ со временами задержки Тзад, 2Тзад, 4Тед, ..., 2(ЛЧ)Тад и N суммирующих НВО Y-типа (рис. 3).
Последовательная БВОС формирует определенное число копий входного пикосекундного импульса
с частотой следования /п = —1—, равной частоте /п
Т
‘'зад п
подыимпульса результирующего ЛЧМ-сигнала.
Частоты следования копий для п -й БВОС системы выбираются в соответствии с выражением, приведенном в [5]:
Разделительный Суммирующий Разделительный Суммирующий Разделительный Суммирующий
НВО 1 НВО 1 НВО 2 НВО 2 НВО ТУ НВОТУ
Вход
-С
>
-С
ВОЛЗ 1
ВОЛЗ 2
>-
-<
Выход
ВОЛЗ N
Рис. 3. Последовательная бинарная волоконно-оптическая структура
Р[(п -1)К + 0,5К]
п
1
f 2 + fi[(n -1)K + 0,5K]
/o +\/0 + П
(4)
Сформированные копии с помощью оптических соединителей и ВОЛЗ (рис. 5) с определенным временем задержки объединяются в единую последовательность импульсов (рис. 6).
Число формируемых копий К зависит от частоты подымпульса формируемого ЛЧМ-сигнала [5]:
K = 2р <
+ 2 < 2р+1, P = 0, j . (5)
Длительность сигналов на выходе БВОС тп находится из выражения
Тп = Ктзад п. (6)
При этом
N
K ^ Тзад n = h *0 = Ти .
n=1
(7)
'^БВОС 2 (0
a)
I:
4 ГЭД2>|
■/бвослЧО
6)
r,v
Число требуемых БВОС N определяется Рис. 4. Вид импульсных последовательностей на выходе 1-й
формулой [5]
N =
1 f
K ТиЛ
(8)
где /0 - центральное значение несущей частоты.
(а), 2-й (б) и ^й (в) БВОС
На рис. 7 изображен спектр последовательности импульсов, сформированной в соответствии с вышеизложенной схемой для формирования ЛЧМ-импульса с центральной частотой /0=15 ГГц и
В результате на выходе п-й БВОС имеется длительностью импульса ти =9,25 нс.
пачка из К импульсов с периодом следования
г.
зад N
(рис. 4).
Для выделения спектра ЛЧМ-сигнала итоговая последовательность коротких импульсов про-
Рис. 5. Структура системы БВОС
х
пускается через полосовой фильтр. Полученный сигнал подается на амплитудный ограничитель для устранения паразитной амплитудной модуляции, дополнительно усиливается электронным усилителем и, проходя через корректирующий фильтр низких частот, излучается в пространство.
Для анализа полученного ЛЧМ-сигнала сравним его спектральные и корреляционные характеристики с характеристиками классического ЛЧМ-сигнала с теми же выходными параметрами (рис. 8, 9).
Как видно из рис. 8, 9, уровень боковых лепестков АКФ не отличается от соответствующего значения для классического ЛЧМ-сигнала (-13.4 дБ), что говорит о целесообразности применения предложенной схемы. Следует отметить, что такое значение боковых лепестков неприем-
лемо для большинства практических задач радиолокации, где обычно требуется подавлять боковые лепестки не менее чем на 26 дБ. Для решения этой проблемы целесообразно использовать согласованный фильтр с амплитудным взвешиванием.
В [5] приведена оценка параметров выходного сигнала формирователя ЛЧМ-сигналов на БВОС. В зависимости от величины технологического допуска при изготовлении БВОС устройство позволяет формировать ЛЧМ-сигналы длительностью от 3 до 130 нс и базой сигнала от 13 до 1200 соответственно.
Таким образом, применение предлагаемого метода формирования ЛЧМ-сигналов на основе БВОС позволит сократить минимальную зону действия,
Рис. 6. Вид результирующего сигнала на выходе системы БВОС Рис. 7. Спектр сигнала на выходе системы БВОС
Рис. 8. Спектр (а) и корреляционная характеристика (б) классического ЛЧМ-сигнала (/0 =11 ГГц; длительность сигнала ти =9,25 нс; скорость ЧМ в = 8,64-1017 Гц/с)
Рис. 9. Спектр (а) и корреляционная характеристика (б) составного ЛЧМ-сигнала (£=8; N =12; ти =9,25 нс)
улучшить разрешающую способность по дальности,
уменьшить габаритные размеры и энергопотребление радиолокатора.
ЛИТЕРАТУРА
1. Астанин Л. Ю., Костылев А. А. Основы сверхширокопо-лосных радиолокационных измерений. М.: Радио и связь. 1989.
2. Вильнер К., ван ден Хевел. А.П. Стекловолоконные линии задержки для обработки СВЧ-сигналов // ТИИЭР.197б. № 5. С. 290 - 294.
3. Кочемасов В. Н., Белов Л. А., Оконешников В. С. Формирование сигналов с линейной частотной модуляцией. М.: Радио и связь. 198З.
4. Кочемасов В. Н., Голубков Л.И., Новиков Л. В., Черка-шин А. А. Синтезатор ЛЧМ-сигналов с оперативным изменением параметров модуляции // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2004. № У. С. З2 - З4.
5. Кукуяшный А.В. Особенности формирования ЛЧМ-сигналов с использованием волоконно-оптических структур // Информационное противодействие терроризму. 200У. № 9. С. 75 - 88.
6. Кукуяшный А.В., Румянцев К.Е. Обобщенная модель динамического запоминающего устройства на волоконно-
оптических структурах с оптическим усилением // Северо-Кавказский регион. Технические науки. 1999. № 3. С. 61 - 67.
7. Мослехи Б., Гудмен Дж.У., Тур М., Шоу Г.Дж. Обработка сигналов решетчатыми волоконно-оптическими структурами // ТИИЭР.1984. № 7. С. 181 - 205.
8. Румянцев К.Е., Горбунов А.В. Динамические запоминающие устройства на основе бинарных волоконно-оптических структур // Радиотехника. 2002. № 12. С.73 - 80.
9. Armin, W. Doerry. Generating Nonlinear FM Chirp Waveforms for Radar: Sandia National Laboratories Report. 2006. P. 16 - 28.
10. Ehrenberg, J., Torkelson, T. FM slide (chirp) signals: a technique for significantly improving the signal-to-noise performance in hydro acoustic assessment systems // Elsevier Fisheries Research. 2000. № 47. P. 56 - 67.
11. Pogribny, W., Leszczynski, T. Improvement of short noisy chirp signals recognition // ICSES 08. 2008. P. 55 - 58.
12. Springer, A., Gugler, W. Spread Spectrum Communications Using Chirp Signals // EUROCOMM. 2000. P. 166 - 170.
13. Tomizawa, Y. A. Novel Subsurface Radar Using a Short Chirp Signal to Expand the Detection Range // IEICE Trans Commun. 2000. № 10. P. 2427 - 2434.
Поступила 11.05.2011 г.
