CC BY
204
АНДРЮШИН1 Олег Федерович, доктор технических наук, профессор БОЛДЫРЕВ2 Геннадий Михайлович, кандидат технических наук РЫЖОВ3 Игорь Альбертович ФАБРИЧНЫЙ4 Михаил Григорьевич, кандидат технических наук ШУЛЬГАЧ5 Олег Владимирович - ^
ЦИФРОВОЙ МЕТОД РЕАЛИЗАЦИИ ЗАДЕРЖКИ ОТРАЖЕННОГО СИГНАЛА В КОМПЛЕКСЕ ПОЛУНАТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОТЫ ИМПУЛЬСНЫХ СБРЛ
Рассмотрена схема построения цифровой линии задержки для моделирования отраженного сигнала в комплексах полунатурного моделирования работы импульсных систем ближней радиолокации. Схема цифровой линии задержки с вводом информации через USB-порт реализована на основе ПЛИС фирмы XILINX. Приведены примеры экспериментально снятых осциллограмм.
Ключевые слова: полунатурное моделирование, математическая модель, управляемая линия задержки, массив данных, ПЛИС.
The scheme of construction of a digital line of a delay for modelling of the reflected signal in complexes of seminatural modelling of work of pulse systems of a near radar-location is considered. The scheme of a digital line of a delay with information input through USB-port is realised on a basis PLD of XILINX. Examples of experimentally removed oscillograms are resulted.
Keywords: seminatural modeling, mathematical model, operated line of the delay, data file, PLD
При проектировании автоматизированных комплексов полунатурного моделирования (АКПНМ) работы систем ближней радиолокации (СБРЛ) в имитаторах отраженного сигнала, моделирующих задержку зондирующего сигнала на трассе его прохождения до объекта локации и обратно, широко используются линии задержки, реализуемые с помощью отрезков кабелей и волноводов [1].
При всей простоте и очевидности аппаратурного решения такие линии задержки обладают определенными недостатками. Они имеют ощутимые
габариты и массу, кроме того, используемые в них СВЧ-переключатели, компенсирующие потери усилителей, значительно увеличивают стоимость подобных линий задержки.
Вместе с тем существуют реальные возможности разработки устройств управляемой линии задержки с использованием методов цифровой обработки информации, свободных от отмеченных недостатков.
Наиболее просто задача построения управляемой цифровой линии задержки (ЦЛЗ) решается применительно к аппаратуре моделирования и испытаний импульсных СБРЛ.
В этом случае моделирование необходимой задержки отраженного сигнала и изменение длительности входного импульса в имитаторе работы импульсных СБРЛ осуществляется с помощью СВЧ-генератора и программноаппаратного модуля, формирующего модулирующую функцию импульсного сигнала [2].
Структурная схема программно-аппаратного модуля, реализующего цифровую линию задержки, приведена на рис. 1.
Массив данных, сформированный в математической модели, передается в память устройства через USB-порт.
' — ФГУП «НПП «Дельта», г. Москва, заместитель директора по науке;2 — ФГУП «НПП «Дельта», г. Москва, начальник отдела
3 - ФГУП «НПП «Дельта», ведущий инженер; 4 — ФГУП «НПП «Дельта», старший научный сотрудник;
5 — ГП НИИ «Орион», г. Киев, начальник лаборатории.
иэв
ІІвВ-интерфейс
м/с СУ7С1061АУЗЗ
К
Управление
Микроконтроллер
м/с АТте§а8535
^Данные (Р7...Р0)^^
Останов Вход
Синхр. ЦЛЗ Вход
Внеш. такт, генератор
1. Устройство прямого доступа к памяти и вывода информации
2. Схема сравнения контрольной суммы
3. Схема управления остановом
4. Схема управления синхронизацией
5. Задатчик длительности импульса
6. Задатчик интервалов задержек
м/с ХС282006Р(}208С
Данные (015...00)
Рис. 1. Структурная схема программно-аппаратного модуля, реализующего управляемую задержку
Тактирование выдаваемых данных производится либо внутренним, либо внешним тактовым генератором, при этом тактовый генератор может работать как независимо, так и с синхронизацией от внешнего генератора импульсов.
Для моделирования отраженного импульса введено устройство независимой программной установки длительностей и задержки формируемых импульсов относительно момента прихода синхронизирующего импульса (зондирующего импульса СБРЛ). Основные функции устройства реализованы на основе ПЛИС ХС2Я200-PQ208C фирмы XLINX и микроконтроллера АТтеда8535.
Пришедшие через иЯВ-порт от ПЭВМ данные записываются в память устройства (статическое ОЗУ на микросхемах СУ71061АУ33 объемом 8 Мб). Для тактирования формирователя импульсов используется тактовый генератор с частотой 100 МГц.
Основной подмодуль устройства, реализованный на микросхеме ПЛИС ХС2Я200 6PQ208C, обеспечивает:
♦ прямой доступ к памяти и вывод информации;
♦ управление остановом;
♦ управление синхронизацией;
♦ задание параметров импульсного сигнала.
Для обеспечения согласования с 50-омными кабельными входами внешних
приборов, управляемых от РС-2008, в схему включены буферные устройства, собранные на микросхемах 74АС14D и SN65LVDS1. Выходные регистры построены на 16 м/с 74АСТ573.
Для расширения возможностей модуля предусмотрен дополнительный РаИет-генератор (виртуальный генератор) произвольного импульсного сигнала, который может использоваться в структуре АКПНМ для формирования импульсных помех, воздействующих на СБРЛ. При этом для формирования импульсных псевдослучайных последовательностей максимальной длины используется весь объем внешней памяти (8 Мб). Тактирование РаИет-ге-нератора производится программируемым тактовым генератором с частотой 1...60 МГц (м/с AD9859YSV). Функции РаИет-генератора реализованы на ПЛИС XC2S200-6PQ208C.
В модуле дополнительно предусмотрен также вход для подключения внешнего генератора коротких импульсов (менее 10 нс) и управляемая 64-разрядная схема цифрового ввода-вывода для включения и выключения релейных устройств имитатора.
На фото 1 приведено разработанное устройство формирователя модулирующих функций импульсных сигналов. Формирование задержанного импульса требуемой длительности с помощью разработанного устройства производится следующим образом. Весь объем
памяти устройства разбивается на под-массивы. Последовательность подмас-сивов соответствует последовательности тактов синхронизирующих (зондирующих) импульсов. Соответственно временное расположение импульса в пределах такта (или задержка импульса) определяется расположением «1» в переделах двоичного числа, определяющего числовое значение массива. Например, 10000000, 01000000 , 00100000 - три последовательных массива, определяющих три последовательных такта «движущегося» по оси времени импульса. Число последовательных «1» в пределах подмассива пропорционально длительности формируемого задержанного импульса. Абсолютное значение длительности определяется частотой внутреннего тактового генератора, который считывает сформированные массивы.
В реальном масштабе времени устройство работает следующим образом. В момент прихода синхронизирующего импульса (зондируюший импульс СБРЛ) внутренний тактовый генератор считывает значение массива и синхронизирующим импульсом запускается программируемый счетчик тактов внутреннего тактового генератора. Следующим синхронизирующим импульсом счетчик увеличивается на длину подмассива, и тем самым внутренним тактовым генератором считывается следующий
Фото 1. Формирователь модулирующих функций импульсных сигналов
I
Фото 2. Вид фронтов отраженного импульса при установке развертки осциллографа 10 нс/клетка
подмассив. Разбиение на подмассивы и установки счетчика производятся программным путем до начала проведения эксперимента.
В целях повышения помехозащищенности в импульсных СБРЛ используют вобуляцию периода следования зондирующих импульсов. Для формирования отраженных импульсов в этом случае предусмотрено следующее: разделены функции перебора массивов и их выдачи при приходе синхронизирующих (зондирующих) импульсов. Таким об-
разом, последовательный перебор массивов производится дополнительным тактовым генератором с жестко постоянным периодом. При приходе очередного синхроимпульса (зондирующего импульса) выдается тот подмассив, который в этот момент сформирован.
При тактовой частоте внутреннего тактового генератора 100 МГц минимальная длительность выдаваемого импульса равна 10 нс, т.е. задержка моделируемого отраженного импульса относительно синхроимпуль-
са (зондируюшего импульса) может быть выставлена программным путем с шагом 10 нс.
Минимальная задержка выдаваемого импульса относительно пришедшего зондирующего определяется техническими характеристиками используемой ПЛИС, внутренней программной организацией ПЛИС, расположением и характеристиками обрамляющих микросхем на печатной плате. В реализованном устройстве эта задержка составляет 25...30 нс. Фронт формируемого импульса в данном устройстве, как это следует из фото 2, равен 2...5 нс.
На фото 3 в качестве примера приведены осциллограммы, полученные с помощью устройства модулирующих функций импульсного отраженного сигнала. Показаны три последовательных временных положения импульса при моделировании приближения СБРЛ к объекту локации.
Оценку требуемого объема памяти для реализации устройства цифровой управляемой задержки, моделирующего импульсный отраженный сигнал, можно произвести следующим образом. При максимальной моделируемой дальности Dmax и погрешности моделирования дальности AD в каждом подмассиве необходимо иметь №1 = Dmax/AD бит. Число повторяющихся периодов п (то есть периодов Тповт с одинаковой задержкой отраженного импульса) также определяется погрешностью оценки дальности и может быть вычислено исходя из равенства:
п Тповт Уотн = AD, (1)
где Уотн — скорость движения СБРЛ относительно объекта локации.
При этом число подмассивов оценивается по формуле:
N2 ^тах/(ПТповт ) = (Dmax/Уотн)/(nTповт), (2)
где: тх —время движения СБРЛ до дальности Dmax.
Из выражений (1) и (2) получаем количество подмассивов N2 = Dmax /AD. Общий объем памяти определяется произведением N1и N2 и равен (Dmax/AD)2 бит.
Например, при моделировании работы импульсных СБРЛ на дальностях 100.1 м с погрешностью 0,2 м общий
Фото 3. Три фазы перемещения импульса, имитирующего отраженный сигнал
объем памяти может быть не более 250 кбит.
Для уменьшения начальной задержки и соответственно уменьшения моделируемой дальности до значений долей и единиц метров необходимо использовать более быстродействующие ПЛИС. Эти ПЛИС к тому же имеют внутреннюю память большего объема, что при реализации модуля задержек позволит отказаться от внешней памяти и также улучшить характеристики быстродействия. Например, ПЛИС XC3S400-5PQ20-8C, имеющая ОЗУ 256 кбит, может работать от тактового генератора частотой 200...250 МГц, что обеспечит шаг задержки 4 - 5 нс и начальную задержку менее 10 - 15 нс.
Результаты исследований, изложенные в настоящей статье, получены в процессе выполнения НИР «Изучение радиофизических процессов формирования селективных признаков отражающих объектов в системах ближней радиолокации», поддержанной Российским фондом фундаментальных исследований в 2007 г. при проведении конкурса инициативных проектов (Соглашение № 07-1021/22).
Литература
1. Андрюшин О.Ф., Болдырев Г.М., Фабричный М.Г. Имитационное моделирование электродинамического взаимодействия, систем, ближней радиолокации с объектами, формирующими суммарный входной сигнал. / Специальная, техника, 2006. - № 6.
2. Андрюшин О.Ф., Болдырев Г.М, Павлов Г.Л., Сучков В.Б., Фабричный М.Г. Имитация, отраженного эхо-сигнала в комплексах полунатурного моделирования работы, систем, ближней радиолокации. /Оборонная, техника, 2009. - Вып. 4/5.
