автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Анализ влияния дестабилизирующих факторов на эффективность диаграммообразования в цифровой антенной решетке

На правах рукописи

Мелентьева Ольга Николаевна

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДИАГРАММООБРАЗОВАНИЯ В ЦИФРОВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКЕ

Специальности

05.12.04 — Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения 05.12.14 - Радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискания ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2006г

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)» и в ОАО «ВНИИРТ»

Научный руководитель Научный консультант

д.т.н., доцент Куликов Г.В. к.т.н., профессор Григорьев Л.Н.

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор Иммореев И.Я. д.т.н., профессор Козлов В.Н.

Ведущая организация

ОАО «МНИИРЭ «Альтаир»»

Защита состоится 27.10.2006г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д212.131.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)» (МИРЭА) по адресу 119454, г.Москва, просп. Вернадского, 78

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИРЭА.

Автореферат разослан « сентября 2006г.

Ученый секретарь диссертационного совета у Куликов Г.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационной работы. Развитие и совершенствование радиолокационных систем в последние годы неизменно сопровождается существенным возрастанием плотности электромагнитного окружения радиолокационных станций (РЛС), что в значительной степени связано с количественным ростом случайных и преднамеренных помех. В связи с этим обстоятельством от действующих и перспективных систем требуется еще больше информативности и конкретности. Одним из путей достижения этой цели является развитие многофункциональных радиолокационных систем с использованием фазированных антенных решеток (ФАР).

Характерной тенденцией современных РЛС с ФАР является постепенный переход к использованию цифровых ФАР (ЦАР). В этом случае для формирования диаграммы направленности (ДН) применяются цифровые устройства обработки сигналов, использующие информацию об амплитуде и фазе сигналов, поступающих с выходов множества приемных каналов, причем каждый из таких колебаний характеризует различные части апертуры антенной решетки или направления различных лучей многолучевой антенны. Следует отметить, что в современных решетках с цифровым диаграммообразованием принятые сигналы преобразуются в цифровую форму уже на уровне элемента излучателя антенны. Такой подход позволяет сохранить полную информацию, имеющуюся в апертуре в противоположность аналоговому способу формирования ДН, который приводит лишь к взвешиванию суммы этих сигналов, что в конечном итоге уменьшает размерность сигналов до 1.

Более высокие уровни информативности, связанные с гибкостью цифровой обработки, обеспечивает разработчику и потребителю ряд существенных преимуществ по сравнению с традиционными аналоговыми решениями. К таким преимуществам можно отнести:

- стабильность параметров,

- возможность оперативного изменения характеристик и параметров системы за счет смены программного обеспечения,

- простота обеспечения идентичности каналов в многоканальных системах обработки,

- схемотехнические упрощения и, как следствие, снижение массога-баритпых характеристик аппаратуры, что неизменно приведет к существенному повышению ее надежности.

В общем случае антенная решетка представляет собой совокупность излучателей сигнала, выходы которых суммируются, образуя выходной сигнал. ДН такой решетки имеет максимум в направлении по нормали к раскрыву антенны. Введение в тракт излучателей фазовращателей, которые компенсируют набеги фаз при приеме колебаний с направлений, отли-

чающихся от нормали, позволяет при соответствующем выборе сдвигов фаз ориентировать ДН в заданном направлении. Обычно сдвиги фаз соответствуют плоскому фронту волны, т.е. линейному набегу фаз вдоль рас-крыва антенны. Система фазирования с помощью регулируемых весовых коэффициентов позволяет изменять суммируемые сигналы как по фазе, так и по амплитуде. Очевидно, что по какому алгоритму ни были бы сфазиро-ваны и взвешены сигналы, всегда существует некоторое рассогласование амплитудно-частотных (АЧХ) и фазочастотных характеристик (ФЧХ) приемных каналов (или в процессе работы в реальных условиях происходит неизбежное рассогласование каналов по амплитуде и фазе), что обязательно приводит к снижению эффективности цифрового диаграммообразова-ния, даже несмотря на такую процедуру как калибровка, призванную потенциально обеспечивать формирование высококачественной ДН с низкими боковыми лепестками.

Для обеспечения требуемых норм электромагнитной совместимости в настоящее время в каналах обработки сигналов применяются фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Эти фильтры в полосе пропускания Moiyr иметь значительные флуктуации АЧХ и ФЧХ, влияние которых на эффективность суммирования еще не исследованы.

В решетках с цифровым диаграммообразованием источником ошибок могут служить устройства аналого-цифрового преобразования (АЦП). При использовании АЦП на видеочастоте существенные ошибки могут внести разброс по амплитуде и по фазе синфазных и квадратурных составляющих, ошибки ортогональности. При применении АЦП на промежуточной частоте (ПЧ) имеют место разбросы моментов кодирования (явление джиггера), что существенно влияет на эффект суммирования сигналов.

Стремительное развитие микроэлектрошюй цифровой и аналоговой элементной базы и появление новых компонентов позволяет по иному подойти к разработке и конструированию приемных каналов применительно к ЦАР.

Потенциальные характеристики и возможности цифрового диаграм-мообразования весьма велики, однако на практике в полной мере пока не реализованы. В практической деятельности важно знать, в какой мере эти потенциальные возможности реализуемы и что ограничивает возможность их реализации.

К настоящему времени решением этих задач занимались ряд известных ученых и специалистов, например, Бартон П., Ратынский М.В., Мон-зиго P.A., Миллер Т.У., Воскресенский Д.И., Канащенков А.И. и другие. В той или иной мере анализ их работ изложен в первом разделе диссертации. Однако, несмотря на проведенные исследования, некоторые вопросы еще далеки до своего полного решения.

Целью диссертационной работы является определение основных причин, ограничивающих динамический диапазон радиолокационных систем с ЦАР, и разработка научно-обоснованных технических решений, направленных на повышение эффективности цифрового диаграммообразования.

Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:

- анализ причин и величин рассогласования АЧХ и ФЧХ приемных каналов, содержащих согласованные фильтры на ПАВ, и оценка их влияния на динамический диапазон (ДД) ЦАР;

- исследование влияние джиттера времени при кодировании на промежуточной частоте;

- разработка методов и алгоритмов амплитудной и фазовой коррекции в приемных каналах ЦАР;

- экспериментальное исследование устройства цифрового диаграммообразования с использованием современной элементной базы.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Потенциальный динамический диапазон ЦАР растет с увеличением количества приемных каналов и составляет от 90 дБ при 30 каналах до 102дБ при 120 каналах; в реальных условиях ДД уменьшается до величины 73 дБ при 30 каналах и 82дБ при 120 каналах при отношении сигнал/шум 2,5.

2. Качество формирования квадратур на видеочастоте уступает формированию квадратур па промежуточной частоте, ДД во втором случае на 10 дБ больше и составляет 81 дБ.

3. Конструктивный шум в цифровом канале имеет нестационарный характер и слабо коррелирован (менее 0,3), что позволяет накапливать сигнал в ЦФ при аналого-цифровом преобразовании на ПЧ; при изменении СКО тактовых импульсов от 10 до 20 пс статистические характеристики конструктивного шума практически не изменяются.

4. Дисперсия погрешности, вызванная джиггером времени линейно зависит от частоты входного сигнала и частоты дискретизации. При СКО джиттера 3 пс ДД составляет 65 дБ для входного сигнала на частоте 30 МГц.

5. Для коррекции межканального рассогласования возможно использование в качестве пилот-сигнала шумового сигнала — собственного шума приемного тракта.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые осуществлен анализ и систематизация факторов, ограничивающих эффективность диаграммообразования ЦАР;

- впервые теоретически и экспериментально проведены комплексные исследования влияния дестабилизирующих факторов (неидентичность амплитудно- и фазочастотных характеристик (АЧХ и ФЧХ) приемных каналов, ошибки, связанные с формированием квадратур, влиянием конструктивного шума, ошибки, связанные с вычислением весового вектора, джит-

тером времени, при кодировании на ПЧ, разбросом амплитуд и фаз гетеродинных и опорных напряжений);

- разработан новый алгоритм коррекции межканального рассогласования приемных каналов в ЦАР, использующий в качестве эталонного сигнала собственный шум приемного канала, а в качестве ошибок рассогласования — нормированные коэффициенты взаимной корреляции эталонных сигналов между основным каналом, и каналами, подлежащими подстройке.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- полученные в диссертационной работе результаты анализа факторов, влияющих на эффективность цифрового диаграммообразования ЦАР, использованы при разработке новых РЛС, использующих ЦАР (внедрено на предприятии ОАО «ВНИИРТ», использовано на предприятии ОАО «МЗРИП»),

- предложенная методика коррекции межканального рассогласования позволит упростить построение блока обработки сигналов и повысить производительность его работы и, соответственно, упростить построение цифровой ЦАР РЛС (подано заявление о выдаче патента РФ на полезную модель «Устройство коррекции межканального рассогласования приемных каналов в цифровой ФАР» №2006111001.).

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались с 2000 по 2006 год на научно-технических конференциях в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете), Московском государственном техническом университете грааоданской авиации в 2001 г., на третьей всероссийской НТК (с участием стран СНГ) в г. Ульяновске в 2001 г., на XXVI Молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» в 2000 г., на 6 Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов МЭИ в 2000 г., На международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» с 2000 по 2006 г, на первой научно-практической конференции «Радиолокационная техника: устройства, станции, системы» в г. Муроме в 2004 г.

Основные результаты работы внедрены на предприятие ОАО «ВНИИРТ»

Результаты работы использованы в учебном процессе на кафедре радиоприемных устройств и базовой кафедре 335 МИРЭА при разработке лекционных курсов и лабораторного практикума по дисциплинам «Устройства приема и обработки сигналов», «Цифровые устройства и микропроцессоры», «Цифровая обработка сигналов в радиолокации».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано четырнадцать работ, включая тезисы докладов. Одна статья опубликована в журнале, включенном в Перечень ВАК.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и 2 приложений. Объем работы составляет 126 страниц, из них рисунков — 39, таблиц в тексте — 3.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цели исследования и основные решаемые задачи, показаны научная новизна и практическая ценность полученных результатов, определены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проводится анализ открытых научных публикаций и материалов в области цифровых ФАР, имеющих непосредственное отношение к теме диссертационной работе.

Современные методы обработки сигналов в раскрывах ФАР рассчитаны в основном (и даже почти исключительно) на цифровую реализацию. В первую очередь это относится к радиолокационным системам, хотя область их возможных применений гораздо шире.

Высокие потенциальные характеристики ЦАР на практике недостижимы из-за ограничивающих факторов. Из таких ограничений, прежде всего, следует отметить декорреляцию сигналов в приемных каналах решетки, обусловленную, в частности, неидентичностью АЧХ и ФЧХ каналов решетки и разбросом моментов дискретизации при аналого-цифровом преобразовании в разных каналах. Очевидно, что для декоррелированных (не полностью когерентных) сигналов невозможно получить потенциально возможный суммарный сигнал ЦФАР, амплитуда которого всегда будет тем меньше, чем сильнее декорреляция.

Из анализа доступной научно-технической литературы, имеющей отношение к теме диссертационной работы, становится очевидным, что многие вопросы еще далеки от своего полного решения и требуют дополнительных теоретических и экспериментальных исследований. К таковым относится:

- теоретическое и экспериментальное исследование характеристик аналого-цифрового преобразования на видео- и промежуточной частоте,

- анализ причин и величин рассогласований АЧХ и ФЧХ приемных каналов, содержащих согласованные фильтры на ПАВ, и их влияния на ДЦ,

- исследование влияния джиттера времени при кодировании на промежуточной частоте,

- оценка потерь вносимых неидеальностью АЧХ и ФЧХ сигналов при кодировании на промежуточной частоте,

- разработка метода и алгоритмов амплитудной и фазовой коррекции в приемных каналах ЦАР,

- анализ характеристик специальных цифровых процессоров (ООС), программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), осуществляющих формирование квадратурных каналов в ЦАР,

- экспериментальные исследования устройств цифрового диаграммо-образования с использованием современной элементной базы.

Теоретическому и экспериментальному исследованию нерешенных вопросов применительно к построению приемных каналов в ЦАР и выработке научно-обоснованных технических решений посвящены последующие разделы диссертационной работы.

Вторая глава диссертационной работы посвящена определению основных причин, ограничивающих динамический диапазон радиолокационных систем с ЦАР.

Динамический диапазон является важнейшим параметром РЛС с точки зрения помехозащищенности. Под этой характеристикой понимают отношение максимального значения сигнала на линейном участке его амплитудной характеристики к эффективному значению мощности шума приемного тракта, при этом указанное эффективное значение должно соответствовать пороговому сигналу. Одним из основных преимуществ ФАР с цифровым управлением является повышенный динамический диапазон по сравнению с традиционным одноканальным аналоговым построением.

С точки зрения максимизации ДД при заданной разрядности Ьх АЦП, уровень собственных шумов желательно располагать как можно ниже на сетке уровней квантования.

Мгновенный ДД приемной многоканальной системы с цифровой обработкой сигналов определяется количеством разрядов АЦП и количеством параллельных каналов N. Если максимальная амплитуда выходного сигнала АЦП равна то наибольший суммарный сигнал для N каналов равен ЛФ, что соответствует мощности

°шах 2

Если учесть, что один старший разряд АЦП отводится под знак сигнала, то минимальную мощность суммарного сигнала, соответствующего мощности наименьшего значащего разряда, можно определить по формуле:

2\2Ь'~1)

Регулируя усиление приемной части тракта, предшествующего АЦП (УВЧ, фильтры, смесители), таким образом, чтобы собственные шумы приемного тракта в среднем соответствовали наименьшему значащему разряду, динамический диапазон можно определить по формуле (1). Из нее следует, что в этом случае ДД увеличивается на 6 дБ при возрастании разрядности АЦП на один разряд, а коэффициент N выражает его рост, обусловленный когерентным интегрированием N элементарных сигналов.

л

/"с - < £>£) = =-к.

2МР

О)

Реальный выходной сигнал ЦАР при прохождении через приемный тракт РЛС и при аналого-цифровом преобразовании подвергается различным дестабилизирующим факторам. К ним относятся: неидентичность частотных и фазовых характеристик приемных каналов, ошибки, вызванные неточностью вычисления весовых коэффициентов, декоррелирующие явления, вызванные наличием шумов, разбросы моментов дискретизации аналого-цифровых преобразователей в различных каналах и другие факторы.

Сигнал, поступающий на вход каждого приемного канала, удобно представлять в виде комплексной величины, тогда выходной сигнал в п-ом канале можно записать в виде

где 5„ = а„ ехр(7'|//„ ) - сигнал в и-ом канале; Д5„ - искажения сигнала при прохождении через приемный тракт; кп - погрешности, обусловленные шумами в каждом канале; рп - погрешность, обусловленная усечением длины слова; /„, ()„ — синфазная и квадратурная составляющие.

Для того, чтобы изменить или «взвесить» фазу и амплитуду сигнала х„ на комплексный коэффициент м>п — + введем условие, что для

получения взвешенных выходных сигналов устройство обработки использует действительную и мнимую части сигналов. Эти части можно представить в виде следующего алгоритма:

к=ьк - оп<2„ е; = /„а,+ел

Приближенное выражение для описания процесса весовой обработки дискретного сигнала и собственного шума в и-ом канале можно представить следующим образом: ^п*п +А5„+Л„ + р+ + + и>„й„ + \\>прп

Заметим, что это выражение справедливо только при малых ошибках.

Если перейти к матричной системе обозначения, то проводимый анализ может быть распространен на описание процесса весовой обработки и суммирования для случая антенной решетки с N приемными каналами.

Квантованные сигналы х2, х3> ..., х„] обозначим транспонированным вектором-столбцом Хт.

Применив матричное обозначение, можно записать: =[5ь »$2>

Нт=[к ьА2,Аз...Алг]

Д УУт=[АУ1>1 , Ди>2, А-юз.. . А\Уд/] рт=[ри Р2, А---Рл]

Выходной сигнал £2 цифрового устройства формирования ДН можно представить в виде:

РЬ=\ГтХ>={)У+&}У)т{5 + д£ + Н + р) (2)

Если предположить, что ошибки являются малыми, то уравнение (2) можно разложить в ряд, и в этом случае, опуская члены, относящиеся к ошибкам второго порядка малости, выходной сигнал £2 можно записать в виде:

Первый член этого выражения представляет собой полезный сигнал на выходе устройства формирования ДН, все остальные члены относятся к ошибкам первого порядка малости.

Далее рассмотрены оценки следующих дестабилизирующих факторов:

1. Неидентичности частотных характеристик и наличие пульсаций вершины АЧХ в полосе пропускания приемных каналов ЦАР. Оценено влияние смещения центральной частоты согласованного фильтра. Оценено влияние параметров пульсаций вершины АЧХ фильтров ПАВ в полосе пропускания на величину ДД и установлено, что с увеличением числа каналов с разными значениями периодов частоты пульсаций и амплитуды в полосе пропускания, ошибки выходной мощности сигнала уменьшаются и стремятся к постоянной величине.

2. Разброс квадратур при кодировании на видеочастоте. При наличии регулировок обеспечивающих идентичность квадратур приемного канала, при использовании аналого-цифрового преобразовании на видеочастоте, можно получить ДД при 12-разрядном АЦП порядка 55дБ.

3. Погрешности, связанные с наличием конструктивного шума. Конструктивный шум радиоэлектронных устройств вызывается факторами, зависящими от оптимального сочетания конструкции и технологии изготовления печатной платы, компоновки элементов на ней, наводок и пульсаций напряжений и токов в цепях питания, «паразитных» наводок активных элементов (шинные формирователи, влияние гармоник сигналов тактовых импульсных или ВЧ генераторов и др.) и т.п. Исследования показали, что из-за конструктивных шумов ДД ограничен величиной 84дБ.

4). Оценен джитгер времени при аналого-цифровом преобразовании на видео- и промежуточной частотах. Дисперсия шумов, вызванных джит-тером времени, линейно зависит от частоты сигнала. Динамический диапазон составляет 65дБ на частоте 30МГц при СКО джиттера фронта тактового сигнала, равного 5 пс.

Третья глава посвящена разработке метода коррекции межканального рассогласования приемных каналов.

Сущность предлагаемого метода заключается в следующем. В качестве пилот-сигнала используется шумовой сигнал в стробе, который через направленный ответвитель (ПО) вводится в каждый приемный канал ЦАР. Шумовой пилот-сигнал включается в период молчания РЛС. Период молчания РЛС соответствует промежутку времени (стробу), который отводится для режима функционального контроля и осуществления операции регулирования приемных каналов ЦАР (служебная запись).

В качестве шумового пилот-сигнала предлагается использовать собственные шумы, аналогичные шуму приемного канала ЦАР. Мощность собственных шумов приемного тракта выражается формулой

Ршс =4кТ0Ь/КшКм,

где к - постоянная Больцмана, равная 1,38-Ю"23 дж/град, Тй — абсолютная комнатная температура примерно равная 300°К, А/1 — полоса частот, Кш - коэффициент шума, Км— коэффициент усиления приемного канала по мощности.

В аппаратуре регулирования проводится расчет весовых коэффициентов по квадратурам, вычисление ошибки межканалыюго рассогласования и расчет среднего значения величины ошибки. После этого среднее значение величины ошибки поступает в сумматор, на этом процесс регулировки заканчивается и начинается рабочий режим РЛС.

Значение величины межканального рассогласования между сигналами основного канала и каналами, подлежащими регулировке, оценивается в виде АС/^о-и^ (3)

где О0 - напряжение шумового сигнала в основном канале, - весовой поправочный коэффициент, 0к - напряжение шумового сигнала в регулировочном канале.

Задачей регулирования является установка таких комплексных весовых коэффициентов IV, которые приводят к нулевой корреляции между значениями величины межканального рассогласования Д(У и шумоподоб-ным сигналом ик канала, в котором проводится подстройка

Е{й0йк}-м,Е{икй'к)= О

Отсюда

Е\и0й'к) Е{йкй'к}

(4)

Математическое ожидание «остаточного сигнала» примет вид

дт1п = - КокКк {¿I(5)

Выражение (5) позволяет получить оптимальную регулировку по критерию минимуму средней квадратичной ошибки межканального рассо-

гласования.

Описанные операции производятся в каждом канале, подлежащем коррекции. Вычисленные средние значения в рабочем режиме в качестве поправки вводятся в каждый регулируемый приемный канал ЦАР.

Дана оценка дисперсии межканального рассогласования от объема выборок.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям основных устройств аппаратуры ЦФАР, влияющих на ее эффективность, а также анализу полученных экспериментальных данных и выработке практических рекомендаций.

Исследования проводились на реальной аппаратуре'РЛС с ЦАР, а также на отдельных стендах.

Исследованию подлежали 4 основных вопроса.

1. Экспериментальная оценка влияния разбросов коэффициентов усиления приемных каналов ЦФАР па динамический диапазон.

Цель эксперимента заключалась в оценке величины разброса коэффициентов усиления приемных каналов РЛС с ЦАР.

Исследования проводились на начальном этапе работы РЛС без включенных автоматических регулировок. Предварительно все входящие в ЦАР устройства были отрегулированы и их технические параметры соответствовали техническим условиям.

Измерения коэффициента усиления и собственных шумов проводились для 40 канатов. На основании полученных данных определялся ДД приемного канала по формуле:

Расчет показал, что коэффициенты усиления между каналами слабо коррелированны. Коэффициент корреляции составляет 0,15...0,056.

В реальной аппаратуре приемные каналы до установки блоков в решетку предварительно сортируются таким образом, чтобы аппаратура с наилучшими параметрами устанавливалась в окрестностях середины антенной решетки.

Дисперсия шума и коэффициентов усиления соответственно составила <7^=1,051, ег^-у=1,109. Закон распределения близок к усеченному гауссову. Сигналы, прошедшие через приемный тракт, перед суммированием подвергаются весовой обработке. В качестве весовой функции выбрана функция Хэммипга.

На рис. 1 изображена зависимость потенциального динамического диапазона, рассчитанная по формуле

Рс'Рш =(0,24<т^2)/(2Я2£|^Г),

от числа приемных каналов N. На этом же рисунке показана зависимость ДЦ от числа приемных каналов, полученная на основании экспериментальных данных.

К

ДБ

102

9*9

т

92.7

ш ш

83.4 Ш 77.2 74.1 71

1 г

[ от ески р !

( :

|

О««'"

!\ (ъ ;

......... 1

1 !

20 30 40 50

60

70 N

90 100 110 120

Рис. 1. Изменение величины динамического диапазона от количества приемных каналов.

Как видно из рисунка, наличие шумов снижает ДЦ на 20дБ. Таким образом, наличие ошибок, вызванных разбросом усиления между каналами предварительно настроенных входящих устройств приемных трактов, требует введения соответствующей аппаратуры, реализующей функции коррекции амплитуды и фазы.

2. Экспериментальная оценка влияния амплитудно-фазовых огиибок АЦП, реализованных на видео- и промежуточной частоте.

Сравнительные испытания устройств аналого-цифрового преобразования на видео- и промежуточной частоте проводились на специальном стенде, цель испытаний состояла в сравнение статистических характеристик (среднеквадратичного значения, дисперсии и плотности вероятности) конструктивных шумов для двух вариантов реализации АЦП на видео- и промежуточной частоте.

При испытаниях регистрировались массивы квадратур конструктивных шумов. Результаты испытаний сведены в табл. 1.

Из полученных результатов видно, что за счет выбора аналого-цифрового преобразования на ПЧ можно получить выигрыш более ЮдБ.

Таблица 1. Статистические характеристики шумов на выходе АЦП на ви-_деочастоте и на ПЧ_

АЦП на видеочастоте АЦП на промежуточной частоте

СКО, В 3,41-10"4 9,314-10"5

Дисперсия, В2 1,16-107 8,7-10"9

ДД, ДБ 69,53 80,62

3. Анализ экспериментальных данных стабильности (с точки зрения влияния джиттера) гетеродинных и опорных напряжений и их влияния на эффективность ЦАР.

При практической реализации ЦАР не последнее место отводится вопросам, связанным с разводкой гетеродинных, сигнальных и опорных напряжений. Стабильность работы всей ЦАР обеспечивается использованием единого источника опорной частоты с применением генератора с кварцевой стабилизацией. В эксперименте участвовали четыре изделия по 20 каналов в каждом изделии.

Среднее значение разброса амплитуд между квадратурами, составило АА = 0,2 дБ, среднее значение разброса фаз Д <р= 12°, СКО aqm= 6,2 пс.

Значения разбросов между каналами коррелированны и коэффициент корреляции составляет > 0,75.

Основным источником фазового джиттера в многоканальной цифровой системе при аналого-цифровом преобразовании является фазовый разброс тактирующих сигналов.

Примерный уровень шума, вызванный джиттером времени, можно оценить по формуле

( j

SNR :Шег (сигнал / шум) = 20 lg -

К^Фдж.

4. Эффективность использования новой экспериментальной базы (DDC - digital down converter) и ПЛИС.

В настоящее время разработаны и нашли широкое применение для цифрового формирования квадратур специализированные сигнальные процессоры DDC (Digital Down Converter), которые способны непосредственно обрабатывать отсчеты с выхода АЦП. Основное назначение DDC -канальная фильтрация, децимация сигнала и формирование квадратур. Канальная фильтрация выполняется за счет квадратурного переноса на нулевую частоту с последующей низкочастотной фильтрацией.

Альтернативным вариантом формирования квадратур может быть использование для этой цели, программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Современные ПЛИС характеризуются низкой стоимостью, высоким быстродействием, значительными функциональными возможно-

стями, многократностью перепрограммирования, низкой потребляемой мощностью и др. В микросхеме ПЛИС, исследуемого формирователя квадратур, заложен алгоритм обработки выборок входного сигнала. Входные выборки поступают на два перемножителя, где формируются синфазная и квадратурная составляющие (/, О) с частотой 12МГц. Эти составляющие поступают на ФНЧ, который осуществляет операцию

9

2аых ["] = X + 5(" - 1))

/=о

где - вещественные коэффициенты, принимающие значения (0,1875; 0,5625; 0,875; 1,125; 1,25; 1,125; 0,875; 0,5625; 0,1875), г(-) - комплексная выборка входного сигнала п=1, 2.....

Таблица 2. Сравнительные оценки выходных сигналов

Формирование квадратур с помощью DDC Формирование квадратур с помощью ПЛИС

Дисперсия величины собственного шума, Вт 0,0009-10 0,0087-10"6

Динамический диапазон, дБ 83,83 78,22

В фильтре реализуется скользящее окно с шагом 2,4 МГц длиной в десять последовательных выборок. Далее осуществляется временное уплотнение квадратурных каналов, и на выходе получаются уплотненные выборки с частотой 2,4МГц.

Сравнительные оценки параметров выходных сигналов для DDC и ПЛИС приведены в табл. 2. Основным отличием является наличие в DDC высокостабильных подстраиваемых генераторов, что позволяет сравнительно простым программным путем производить подстройку фазы в приемных каналов, что является неоспоримым преимуществом для ЦАР.

В заключении выделены основные полученные в диссертационной работе результаты, даны выводы по работе и обозначены направления дальнейших исследований.

В диссертации получены следующие основные результаты:

1. Получены количественные оценки уменьшения ДЦ приемных каналов в РЛС с ЦАР за счет дестабилизирующих факторов. Это уменьшение составляет 18..20дБ. Предложены решения, снижающие влияние дестабилизирующих факторов.

2. Уменьшение ДД в реальной аппаратуре главным образом обусловлено влиянием следующих дестабилизирующих факторов: ошибки, присущие различным способам формирование квадратур, неидентичность частотных характеристик приемных каналов, конструктивный шум, ошиб-

ки вычисления весового вектора, джиттер времени при кодировании на ПЧ, разбросы гетеродинных и опорных напряжений.

3. Экспериментально установлено, что формирование квадратур на видеочастоте по своим характеристикам уступает формированию квадратур на промежуточной частоте, при этом ДД составляет 70 дБ, в то время как при преобразовании на промежуточной частоте ДД=81дБ при аналогичных условиях.

4. Исследованы две схемы формирования квадратур: с помощью специализированного сигнального процессора (DDC) AD6620 и при использовании программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) EPF10K100. Из-за наличия высокостабильных генераторов тактовых сигналов целесообразно использовать первую схему, в этом случае ДД составил 84дБ, во втором — 78дБ.

5. По результатам исследования влияния декоррелирующих факторов, вызванных неидентичностью АЧХ приемных каналов, было установлено, что при нормированном смещении центральной частоты по отношению к полосе частот, равном 1%, ДД снижается до 64 дБ.

6. Выявлено, что влияние периодов частоты пульсаций и амплитуды АЧХ фильтров ПАВ в полосе пропускания на величину ДД незначительно. Предложена модель АЧХ фильтра ПАВ. Установлено, что с увеличением числа каналов с разными значениями величины пульсаций в полосе пропускания, ошибки выходной мощности сигнала уменьшаются и стремятся к постоянной величине.

7. Конструктивный шум обусловлен факторами, зависящими от оптимального сочетания разводки печатной платы и технологии изготовления самой печатной платы, компоновки элементов на плате, наводками и пульсациями по цепям питания, «паразитными» наводками активных элементов. Получены автокорреляционная функция, гистограмма распределения конструктивного шума. Конструктивный шум имеет нестационарный характер и слабо коррелирован (менее 0,3), что позволяет накапливать сигнал при аналого-цифровом преобразовании на ПЧ. Показано, что при изменении СКО тактовых импульсов от 10 до 20 пс статистические характеристики конструктивного шума практически не изменяются.

8. Оценено влияние джиттера времени при различных методах дискретизации. Наибольшее влияние джиттер времени оказывает при кодировании на ПЧ. Получено выражение декорреляции для входного сигнала ЦАР, имеющей место при использовании АЦП на ПЧ. Входной сигнал АЦП имеет усеченное гауссово распределение. Дисперсия погрешностей, вызванных джиттером времени, линейно зависит от частоты входного сигнала и частоты дискретизации. ДД теоретически составляет 65дБ для входного сигнала на частоте 30МГц.

9. Предложен алгоритм коррекции межканального рассогласования, основанный на применении в качестве пилот-сигнала шумового сигнала. Для этой цели используется собственный шум приемного тракта. В качестве подстроечного весового коэффициента w, предлагается использовать нормированный взаимнокорреляционный коэффициент между основным и подстроечным каналами. Для вычисления ошибки используется выраже-

■ i/oW-wt/J«] тт

ние Дтщ = — —• Проведена оценка изменения оптимального весового вектора w от объема выборок.

10. Разработан и создан стенд для проведения современными методами исследований аппаратуры, создаваемой для ЦАР.

11. Дальнейшие исследования должны быть направлены на создание ЦАР на отечественной элементной базе с использованием задела фирм ЭЛВИС, «НИИМА «Прогресс»».

Публикации автора по теме диссертации:

(в 2005 году автор сменила фамилию Сорокина на Мелентьсва)

1. Сорокина О.Н., Храмов К.К. Синтез формирующих каналов системы радиосвязи на основе квадратурных преобразователей сигналов // Труды 6 Междунар. НТК студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. В 3-х т., Т. 1. - М.:МЭИ, 2000. - С. 131.

2. Сорокина О.Н. , Храмов К.К., Афанасьев В.В. Проектирование трактов обработки радиосигналов в системе радиосвязи с использованием квадратурных преобразователей сигналов // Труды 6 Междунар. НТК студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. В 3-х т., Т. 1. - М. :МЭИ, 2000. - С. 132.

3. Сорокина О.Н., Рукавишников A.B., Афанасьев В.В. Исследование трактов формирования радиосистем с использованием автоматических компенсаторов помех // Тезисы докл. международ, молодежной научи, конф. «XXVI Гагаринские чтения»: Т.2 -М., 2000. - С.381.

4. Сорокина О.Н., Афанасьев В.В. Система радиосвязи на базе квадратурных преобразователей сигналов // Тезисы докл. международ, молодежной научи. конф. «XXVI Гагаринские чтения»: Т.2 -М., 2000. - С.382,400.

5. Сорокина О.Н. Элементная база и архитектура АЦП для многоканальных РЛС // Труды 50 Юбилейной НТК, Ч. 2. - М.: МИРЭА, 2001. - С. 21.

6. Сорокина О.Н. Амплитудно и фазочастотные характеристики приемного устройства с фильтром на ПАВ // Труды МНТК «Гражданская авиация на рубеже веков»: Тезисы докладов. -М.: МГТУГА, 2001. - С.162-163.

7. Сорокина О.Н., Алексеев С.Д. Цифровое формирование квадратур на ПЛИС // Труды 3 всероссийской (с участием стран СНГ) НТК «Современные проблемы создания и эксплуатации РТС». — Ульяновск, 2001. - С.63-65.

8. Сорокина О.Н. Анализ фазового джиггера времени при кодировании на промежуточной частоте // Труды LVII научной сессии НТОРЭС им. A.C. Попова, поев. Дню радио. В 2-х томах, Т.2. - М., 2002. — С.91-93.

9. Сорокина О.Н. Оценка ошибок межканального рассогласования, вносимая фильтрами на ПАВ // Научный вестник МГТУГА. Серия: Радиофизика и радиотехника, № 51. - М.: МГТУ ГА, 2002. - С. 93-95.

10. Сорокина О.Н. Оценка динамического диапазона при кодировании на промежуточной частоте // В сб. научн. тр. 52 НТК МИРЭА. 41./Моск. Гос. Ин-т радиотехники, электроники и автоматики (технический университет). - М„ 2003. - С.107-109.

Н.Григорьев Л.Н., Собкина Н.Ю., Сорокина О.Н. Исследование эффективности преобразования спектра ЛЧМ сигнала на видеочастоту с использованием специального процессора DDC методом моделирования // Труды 5-й международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение». — М., 2003. — С.536-537.

12. Сорокина О.Н. Исследование конструктивных шумов и их влияние на динамический диапазон // В сб. научн. тр. 53 НТК МИРЭА /Моск. Гос. Ин-т радиотехники, электроники и автоматики (технический университет). - М., 2004.

13. Сорокина О.Н. Влияние декорреляции сигналов в приемных каналах фазированной антенной решетки // Методы и устройства передачи и об-, работки информации: Межвуз. сб. научн. тр. - Вып. 6. -С.Пб.: Гидроме-теоиздат, 2004. - С.20-26.

14. Григорьев Л.Н., Мелентьева О.Н. Оценка влияния декорреляции сигналов в цифровой антенной, решетке (ЦАР) обусловленная неидентичио-стью частотных характеристик фильтров на ПАВ// Труды 8-й международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение». -М., 2006. — С.313-315.

Подписано в печать 19.09.2006. Формат 60x84 1/16.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 0,93. Усл. кр.-отт. 3,72. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 эка Заказ 555

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)" 119454, Москва, пр. Вернадского, 78

Введение

Глава 1. Анализ факторов, ограничивающих эффективность диаграммообразования ЦАР

Глава 2. Погрешности, вносимые дестабилизирующими факторами при 18 оценке количественных и качественных характеристик выходного сигнала ЦАР.

2.1 Исходные предпосылки

2.2 Определение выходного сигнала ЦАР

2.3 Анализ дестабилизирующих факторов, ограничивающих ДЦ

2.4 Оценка влияния неидентичности частотных характеристик и 31 пульсаций АЧХ в полосе пропускания приемных каналов ЦАР на выходную мощность сигнала.

2.5 Оценка влияния разброса квадратур, при кодировании на 38 видеочастоте

2.6 Оценка погрешностей, связанных с наличием конструктивного 43 шума

2.7 Оценка влияния джиттера времени на параметры выходного сигнала 46 при аналого-цифровом преобразовании на видео и промежуточной частотах.

ГлаваЗ. Коррекция «межканального» рассогласования приемных 60 каналов в ЦАР.

3.1 Алгоритм и метод коррекции «межканального» рассогласования 60 приемных каналов

3.2 Уравнения для ошибок «межканального» рассогласования

3.3 Оценка дисперсии «межканального» рассогласования от объема 71 выборок

Глава 4. Экспериментальные исследования аналого-цифрового 74 преобразования на видео- и на промежуточной частотах

4.1 Экспериментальное исследование разбросов усиления приемных 74 каналов ЦАР

4.2 Сравнение эффективности кодирования на видео и промежуточной 80 частоте

4.3 Цифровое формирование квадратур при аналого-цифровом 82 преобразовании на промежуточной частоте с помощью DDC и ПЛИС.

4.4 Оценка влияния разброса параметров гетеродинных и опорных 89 напряжений в ЦАР.

4.5 Результаты моделирования преобразования спектра JI4M сигнала 96 промежуточной частоты на видеочастоту с использованием DDC.

Общая характеристика проблемы

Развитие и совершенствование радиолокационных систем в последние годы неизменно сопровождается существенным возрастанием плотности электромагнитного окружения радиолокационных станций (РЛС), что в значительной степени связано с количественным ростом случайных и преднамеренных помех. В связи с этим обстоятельством от действующих и перспективных систем требуется еще больше информативности и конкретности. Одним из путей достижения этой цели является развитие многофункциональных радиолокационных систем с использованием фазированных антенных решеток (ФАР).

Характерной тенденцией современных РЛС с ФАР является постепенный переход к использованию цифровых ФАР (ЦАР) [1,2]. В этом случае для формирования диаграммы направленности (ДН) применяются цифровые устройства обработки сигналов, использующие информацию об амплитуде и фазе сигналов, поступающих с выходов множества приемных каналов, причем каждое из таких колебаний характеризует различные части апертуры антенной решетки или направления различных лучей многолучевой антенны. Следует отметить, что в современных решетках с цифровым диаграммообразованием принятые сигналы преобразуются в цифровую форму уже на уровне элемента излучателя антенны. Такой подход позволяет сохранить полную информацию, имеющуюся в апертуре в противоположность аналоговому способу формирования ДН, который приводит лишь к взвешиванию суммы этих сигналов, что в конечном итоге уменьшает размерность сигналов до 1 [1,3-10].

Более высокие уровни информативности, связанные с гибкостью цифровой обработки, обеспечивает разработчику и потребителю ряд существенных преимуществ по сравнению с традиционными аналоговыми решениями. К таким преимуществам можно отнести: - стабильность параметров,

- возможность оперативного изменения характеристик и параметров системы за счет смены программного обеспечения,

- простота обеспечения идентичности каналов в многоканальных системах обработки, схемотехнические упрощения и, как следствие, снижение массогабаритных характеристик аппаратуры, что неизменно приведет к существенному повышению ее надежности.

В общем случае антенная решетка представляет собой совокупность излучателей сигнала, выходы которых суммируются, образуя выходной сигнал. ДН такой решетки имеет максимум в направлении по нормали к раскрыву антенны. Введение в тракт излучателей фазовращателей, которые компенсируют набеги фаз при приеме колебаний с направлений, отличающихся от нормали, позволяет при соответствующем выборе сдвигов фаз сфазировать ДН в заданном наперед направлении. Обычно сдвиги фаз соответствуют плоскому фронту волны, т.е. линейному набегу фаз вдоль раскрыва антенны. Система фазирования с помощью регулируемых весовых коэффициентов позволяет изменять суммируемые сигналы как по фазе, так и по амплитуде. Очевидно, что по какому алгоритму ни были сфазированы и взвешены сигналы, всегда существует некоторое рассогласование амплитудно-частотных (АЧХ) и фазочастотных характеристик (ФЧХ) приемных каналов, что обязательно приводит к снижению эффективности цифрового диаграммообразования, даже несмотря на такую процедуру как калибровка, призванная потенциально обеспечивать формирование высококачественной ДН с низкими боковыми лепестками (так как в процессе работы в реальных условиях происходит неизбежное рассогласование каналов по амплитуде и фазе) [11-18].

Для обеспечения требуемых норм электромагнитной совместимости в настоящее время в каналах обработки сигналов применяются фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Эти фильтры в полосе пропускания могут иметь значительную неравномерность АЧХ и ФЧХ в полосе пропускания, влияние которой на эффективность суммирования еще не исследованы.

В решетках с цифровым диаграммообразованием источником ошибок могут служить устройства аналого-цифрового преобразования (АЦП). При использовании АЦП на видеочастоте существенные ошибки могут внести разброс по амплитуде и по фазе синфазных и квадратурных составляющих, ошибки ортогональности. При применении АЦП на промежуточной частоте (ПЧ) имеют место разбросы моментов кодирования (явление джиттера который определяется как среднеквадратичное отклонение (СКО) положения во времени фронта тактового сигнала относительно ожидаемого значения), что существенно влияет на эффект суммирования сигналов [19-21].

Стремительное развитие микроэлектронной цифровой и аналоговой элементной базы и появление новых компонентов позволяет по иному подойти к разработке и конструированию приемных каналов применительно к ЦАР.

Потенциальные характеристики и возможности цифрового диаграммообразования весьма велики, однако на практике в полной мере пока не реализованы. В практической деятельности важно знать, в какой мере эти потенциальные возможности реализуемы и что ограничивает возможность их реализации.

К настоящему времени решением этих задач занимались ряд известных ученых и специалистов, например, Бартон П., Ратынский М.В., Монзиго Р.А., Миллер Т.У., Воскресенский Д.И., Канащенков А.И. В той или иной мере анализ их работ изложен в первом разделе диссертации. Однако, не смотря на проведенные исследования, некоторые вопросы еще далеки до своего полного решения.

Все вышесказанное определяет актуальность данной работы, направленной на обеспечение высокой эффективности функционирования устройств цифрового диаграммообразования существующих и перспективных радиолокационных систем различного назначения.

Целью диссертационной работы является определение основных причин, ограничивающих динамический диапазон радиолокационных систем с ЦАР, и разработка научно-обоснованных технических решений, направленных на повышение эффективности цифрового диаграммообразования.

Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:

- определение количественных оценок характеризующих неидентичность приемных каналов, содержащих согласованные фильтры на ПАВ и анализ влияния этой неидентичности на динамический диапазон (ДД),

- теоретическое и экспериментальное исследование характеристик аналого-цифрового преобразования на видео- и промежуточной частоте,

- исследование влияния джиттера времени при кодировании на промежуточной частоте,

- проанализировать причины возникновения так называемых конструктивных шумов и оценить степень влияния их на динамический диапазон,

- разработка алгоритмов амплитудной и фазовой коррекции в приемных каналах ЦФАР,

- исследование схем формирования квадратур (с помощью специального цифрового процессора DDC и программируемой интегральной логической схемы),

- экспериментальные исследования устройств цифрового диаграммообразования с использованием современной элементной базы,

- разработка стенда для проведения исследовательских работ современными методами аппаратуры создаваемой для ЦАР.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- проведен анализ и впервые осуществлена систематизация факторов, ограничивающих эффективность диаграммообразования ЦАР,

- впервые проведен анализ влияния неравномерности и пульсаций ЧХ фильтров на ПАВ в полосе пропускания на выходную мощность принятого сигнала,

- разработана новая методика коррекции «межканального» рассогласования приемных каналов в ЦАР, использующая шумовой пилот-сигнал, и предложен алгоритм, позволяющий реализовать на практике данную методику,

- была разработана программная модель преобразования спектра JI4M сигнала промежуточной частоты на видеочастоту с использованием DDC, с помощью которой было проведено исследование этого преобразования.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы:

- при использовании 30 приемных каналов ЦАР потенциальный ДД составляет 90 дБ. С учетом устранимых помех ДД уменьшается до 73 дБ при аналогичном количестве приемных каналов.

- качество формирования квадратур на видеочастоте уступает формированию квадратур на промежуточной частоте, ДД во втором случает на 10 дБ больше и составляет 81 дБ.

- конструктивный шум имеет нестационарный характер и слабо коррелирован (менее 0,3), что позволяет накапливать сигнал в ЦФ при аналого-цифровом преобразовании на ПЧ, при изменении СКО тактовых импульсов от 10 до 20 пс статистические характеристики конструктивного шума практически не изменяются.

- дисперсия погрешности, вызванная джиттером времени линейно зависит от частоты входного сигнала и частоты дискретизации. При этом ДД составляет 65 дБ для входного сигнала на частоте 30 МГц при СКО 3 пс.

- для коррекции «межканального» рассогласования возможно использование в качестве пилот-сигнала шумового сигнала - собственного шума приемного тракта.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- полученные в диссертационной работе результаты анализа факторов, влияющих на эффективность цифрового диаграммообразования ЦАР использованы при разработке новых РЛС, использующих ЦАР, (внедрено на предприятии ОАО «ВНИИРТ»,

- предложенная методика коррекции «межканального» рассогласования позволит, это позволяет упростить построение блока обработки сигналов и повысить производительность его работы и соответственно, упростить построение цифровой ЦАР РЛС.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается:

- соответствием основных теоретических результатов экспериментальным,

- корректным применением математического аппарата,

- метрологической поверкой используемой аппаратуры и стендов.

Основные результаты работы внедрены на предприятие ОАО

ВНИИРТ».

Результаты работы использованы в учебном процессе на кафедре радиоприемных устройств и базовой кафедре 335 МИРЭА при разработке лекционных курсов и лабораторного практикума по дисциплинам «Радиоприемные устройства», «Цифровые устройства и микропроцессоры», «Цифровая обработка сигналов в радиолокации».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались с 2000 по 2006 год на научно-технических конференциях в Московском институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете), Московском государственном техническом университете гражданской авиации в 2001, на третьей всероссийской НТК(с участием стран СНГ) в г.Ульяновск в 2001 г, на XXVI Молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» в 2000г, на 6 Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов МЭИ в 2000, На международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» с 2000 по 2006 г, на первой научно-практической конференции

Радиолокационная техника: устройства, станции, системы» в г. Муром, В 2004г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, из них 7 статей, в том числе 1 - в издании, включенном в перечень ВАК, 3 тезисов докладов - в трудах международных и всероссийских научно-технических конференций и научных сессий, 7 докладов опубликованы полностью, было подано заявление о выдаче патента РФ на полезную модель «Устройство коррекции межканального рассогласования приемных каналов в цифровой ФАР» №2006111001.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и 2 приложений. Объем работы составляет 126 страниц, из них рисунков -39, таблиц в тексте - 3.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Теоретически установлено (рис.4.1.6), что ДД растет с увеличением количества приемных каналов и составляет 90 дБ при 30 каналах до 102дБ при 120 каналах. Экспериментальные результаты свидетельствуют, что ДД в реальных условиях составляет 73дБ при 30 каналах до 82дБ при 120 каналах при отношении сигнал/шум 2,5. Таким образом установлен факт, что в реальных условиях ДД меньше теоретического. Разница составляет от 16 до 20дБ.

2. Уменьшение ДД в реальной аппаратуре обусловлено влиянием дестабилизирующих факторов, которые имеют место. Это различные способы формирование квадратур, неидентичность частотных характеристик приемных каналов, конструктивный шум, ошибки вычисления весового вектора, влияние джиттера времени при кодировании на ПЧ, разбросы гетеродинных и опорных напряжений и другие факторы.

3. Экспериментально установлено, что формирование квадратур на видеочастоте уступает формированию квадратур на промежуточной частоте по своим характеристикам и ДД составляет на видеочастоте 70 дБ, в то время как при преобразовании на промежуточной частоте имеет 81 дБ при аналогичных условиях.

4. Были исследованы две схемы формирования квадратур. Это с помощью специализированного сигнального процессора (DDC) и использование для этих целей программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). В качестве DDC использовалась м/с AD6620, а в качестве ПЛИС м/с EPF10K100. ДД DDC составил 84дБ и ДД ПЛИС 78дБ. Современные ПЛИС характеризуются более низкими ценами.

5. По результатам исследования влияния декоррелирующих факторов, вызванных неидентичностью АЧХ приемных каналов, было установлено, что нормированное смещение центральной частоты /? по отношению к полосе частот, что составляет дисперсию ошибки, ограничивающую ДД до 64,4дБ.

6. Выявлено влияние пульсаций амплитудно-фазовой характеристики в полосе пропускания, что характерно для фильтров на ПАВ. Предложена модель АЧХ фильтра. Установлено, что с увеличением числа каналов с разными значениями величины пульсаций в полосе пропускания, ошибки выходной мощности сигнала уменьшается и стремиться к постоянной величине. В рассмотренном примере 0,082дБ, что практически не влияет на ДД приемного канала.

7. Конструктивный шум обусловлен факторами, зависящими от оптимального сочетания разводки печатной платы и технологии изготовления самой печатной платы, компоновки элементов на плате, наводками и пульсациями по цепям питания, «паразитными» наводками активных элементов. В процессе исследования получены автокорреляционная функция, гистограмма распределения конструктивного шума. Конструктивный шум имеет нестационарный характер и слабо коррелирован (менее 0,3), что позволяет накапливать сигнал в ЦФ при аналого-цифровом преобразовании на ПЧ. Показано, что при изменении СКО тактовых импульсов от 10 до 20 пс статистические характеристики конструктивного шума практически не изменяются. В ходе эксперимента значение конструктивного шума составило 30 мкВ, при этом ДД уменьшился до 85дБ.

8. Оценено влияние джиттера времени при различных методах дискретизации. Наибольшее влияние джиттер времени оказывает при кодировании на ПЧ. Получено выражение декорреляции имеющие место при использовании АЦП на ПЧ для модулирующего сигнала, имеющего усеченное гауссово распределение. Однако, полученное выражение громоздко и трудно для анализа. В первом приближении можно воспользоваться формулой (2.7.27). Дисперсия погрешностей, вызванных джиттером времени линейно зависит от частоты и дискретизации и составляет 65дБ на частоте 30МГц при СКО равной Зпс.

9. Предложен алгоритм коррекции «межканального» рассогласования, основанный на применении в качестве пилот-сигнала шумовой сигнал. Для этой цели используется собственный шум приемного тракта. В качестве подстроечного весового коэффициента w, предлагается использовать нормированный взаимнокорреляционный коэффициент между основным и подстроечным каналами. Для вычисления ошибки используется выражение A U0[n]-wUn[n)

Amm = ——-. Проведена оценка изменения оптимального весового N вектора w от объема выборок.

10. Разработан и создан стенд для проведения исследования аппаратуры, создаваемой для ЦАР, современными методами.

11. Дальнейшие исследования должны быть направлены на создание ЦАР на отечественной элементной базе с использованием задела фирм ЭЛВИС, «НИИМА «Прогресс»» материалы, и предложения этих фирм представлены в приложении 2.

Заключение

В заключении выделены основные результаты, полученные в диссертационной работе, даны выводы по работе и обозначены перспективные направления дальнейших исследований.

В результате теоретических и экспериментальных исследований, а также математического и компьютерного моделирования решена важная задача анализа влияния дестабилизирующих факторов на эффективность диаграммообразования в цифровых антенных решетках, имеющая практическое значение.

Характерными тенденциями современных РЛС являются существенное возрастание плотности электромагнитного окружения РЛС, что в значительной степени связано с количественным ростом случайных и преднамеренных помех. Одним из важных параметров по помехозащищенности, особенно для РЛС по низколетящим целям, является ДД. Экспериментально установлено, что РЛС по низколетящим целям должна иметь ДД 65дБ и более. Технология цифровой обработки сигналов позволяет в значительной мере решить эту задачу. Цифровое диаграммообразование (ЦДО), иди формирование ДН систем цифровыми методами - одно из значимых среди технических решений решающих задачу ДД. Данная технология уже стала базовой в перспективных РЛС.

1. P. Barton, Digital Beam Forming for Radar, 1.E Proc, Vol.127, Pt.F., No 4, Aug 1980,

2. Активные фазированные антенные решетки. Коллективная монография под ред. Д.И.Воскресенского, М. ,Изд. «Радиотехника», 2003

3. W.Sander. Experimental Phased-Array Radar EL Re. Antenna System, IEE Droc. Vol., 127, Pt.F.No4, Aug 1980

4. B.Warcrop. Experimental Linear Phased Array with Partial Adaptivity. IEE Droc. Vol 130 Pt.F Feb 1983

5. B.Warcrop. Digital Beamforming in Radar Systems. A Review. Military Microwave Conf Proc VK 1984

6. J.M. Loomis, J.F. Rose. A Digital Beamforming Array U.S. Army Micom Technical Report RE 83-21. May 1983

7. P. Barton. Multiple Beam Receiving Array Signal Processor. UK Patent 1515486 March 1977

8. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток. Учебное пособие. Под ред. Д.И.Воскресенского, М. ,Изд. «Радиотехника», 2003

9. Д.И.Воскресенский, Антенны с обработкой сигнала. Учебное пособие, М., Изд. «Сайнс пресс», 2002

10. Евстрапов Г.А., Иммореев И.Л. Цифровые методы формирования диаграмм направленности приемных антенных решеток. Проблемы антенной техники. М.: Радио и связь, 1989.

11. Адаптивная компенсация помех в каналах связи. По рез. Ю.И. Лосева. Гарвер. Графики для выбора аналого-цифрового преобразователя Электроника №4 1979

12. С.Б. Шлеев. Элементная база и архитектура цифровых радиоприемных устройств. Научно-технический журнал. Цифровая обработка сигналов. 1/99

13. Исследование вариантов построения модулей цифровых приемников. М. 1997 АОЗТ «Инструментальные системы»

14. S. Reed, J.D. Mallet and L.E. Brennan. Rapid Convergence Rate in Adaptive Arrays. IEEE Trans. Vol. AES-10, No 6, Nov 1974

15. J.E. Hudson. Adaptive Array Principles. Peter Pereqrinus Ltd. UK 1981

16. W.F. Cubriel. Spectral Analysis and Adaptive Array Superresolution Techniques. Proc. IEEE, Vol. 68, No.6, June 1980

17. Уидроу Б.,Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов. М.:Радио и связь,1989.

18. Шишов Ю.А., Голик A.M., Клейменов Ю.А. и др. Адаптация управления ФАР по результатам встроенного контроля//Зарубежная радиоэлектроника.1990, №9.

19. Г.Д. Бахтиаров, В.В. Малинин, В.П. Школин. Аналого-цифровые преобразователи. М. «Советское радио» 1980

20. Цифровая обработка сигналов на промежуточной частоте. Пер. ГНТБ М.Ф. 87/53628

21. Цифровая обработка сигналов на промежуточной частоте. Пер. ГНТБ 0690 600 4391

22. Робинер Р., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1978.

23. Дж. Голуб, Ч.Ван Лоун. Матричные вычисления/Пер. с англ. М.:Мир, 1999

24. Шифрин Я.С. Вопросы статистической теории антенн. М.:Сов.радио, 1970.

25. В.А. Богачев, Подавление помех системами адаптивной компенсации при неидентичных частотных характеристиках приемных каналов //Кандидатская диссертация, 1999г.

26. G. Karl, The effect of IF bandpass mismatch errors on adaptive cancellation, Nava, Research Laboratory.

27. Hilling Liu, A. Ghafoor, P. Stockman, Time jitter analysis for quadrature sampling, IEEE transaction on Aerospace and electronic systems, No 4, 1989.

28. C.E. Шлеев, Элементная база и архитектура цифровых радиоприемных устройств//Научно-технический журнал цифровая обработка сигналов, №1, 1999.

29. F. Griffiths, P. Williams, Digital beam forming for bistatic radar receiver, Int. Conf on Antennas and Propogation, UK, 1983.

30. Ратынский M.B., Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках, М. «Радио и связь», 2003г

31. Р.А. Манзиго, Т.У. Миллер, Адаптивные антенные решетки. Ведение в теорию, М. Радио и связь, 1986.

32. Пушин А.Е, Ратынский М.В., Черемисин О.П., О влиянии декорреляции входных сигналов на эффективность цифровых фильтров выделения сигналов на фоне помех //Радиотехника и электроника, 1988, т.31, №9, е.

33. Ратынский М.В., Оценка влияния ширины полосы на возможность адаптивной обработки сигналов в антенных решетках //Радиотехника и электроника, 1980, т.25, №7.

34. I.S.Reed, I.D.Mallemo, L.T.Brennan, Rapid convergence rate in adaptive arrays //IEEE Transaction on Aerospace and Electronic Systems, Vol AES-10, No 6, November, 1974.

35. М.Н.Быканов, В.С.Сериков, А.В.Смородинов, В.А.Толмачев, Исследование влияния фазовой нестабильности тактового сигнала на характеристики тракта аналого-цифрового преобразования// Научно-технический журнал цифровая обработка сигналов, №2, 2004.

36. Сорокина О.Н. Синтез формирующих каналов системы радиосвязи на основе квадратурных преобразователей сигналов. Радиотехника, электротехника и энергетика//6 Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез.докл. В 3-х т. Т1-М.:МЭИ, 2000.

37. Сорокина О.Н. Исследование трактов формирования радиосистем с использованием автоматических компенсаторов помех. XXVI Гагаринские чтения. Тезисы докладов международ. Молодежной научн. Конференции. Т2 М., 2000.

38. Сорокина О.Н.Система радиосвязи на базе квадратурных преобразователей сигналов. XXVI Гагаринские чтения. Тезисы докладов международ. Молодежной научн. Конференции. Т2 М., 2000.

39. Сорокина О.Н. Элементная база и архитектура АЦП для многоканальных PJIC. (Программа и тезисы докладов Юбилейной 50 НТ конференции, Часть 2, М, 2001 (стр. 21).

40. Сорокина О.Н. Амплитудно и фазочастотные характеристики приемного устройства с фильтром на ПАВ. Гражданская авиация на рубеже веков. Тезисы докладов МНТК.-М.: МГТУГА, 2001.

41. Сорокина О.Н., Алексеев С.Д. Цифровое формирование квадратур на ПЛИС. Современные проблемы создания и эксплуатации РТС: труды третьей всероссийской НТК(с участием стран СНГ).-Ульяновск: 2001.

42. Сорокина О.Н. Анализ фазового джиттера времени при кодировании на промежуточной частоте. LVII научная сессия, посвященная дню радио. Труды. В 2-х томах. Т2. М., 2002.

43. Сорокина О.Н. Оценка ошибок межканального рассогласования, вносимая фильтрами на ПАВ. Научный вестник МГТУГА №51 Серия: Ридиофизика и радиотехника, М. 2002

44. Сорокина О.Н. Оценка динамического диапазона при кодировании на промежуточной частоте. 52 научно-техническая конференция МИРЭА. Сборник трудов. 41./Моск. Гос. Ин-т радиотехники, электроники и автоматики (технический университет). М., 2003.

45. Сорокина О.Н. Исследование конструктивных шумов и их влияние на динамический диапазон // научно-техническая конференция МИРЭА. Сборник трудов. /Моск. Гос. Ин-т радиотехники, электроники и автоматики (технический университет). М., 2004.

46. Сорокина О.Н. Влияние декорреляции сигналов в приемных каналах фазированной антенной решетки//методы и устройства передачи и обработки информации: межвуз.сб.научн.тр.-Вып.б.-С.Пб. :Гидрометеоиздат, 2004.