автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Радиосигналы с комбинированной частотно-амплитудной модуляцией для быстродействующих радиотехнических устройств

На правах рукописи

Остапенков Павел Сергеевич

РАДИОСИГНАЛЫ С КОМБИНИРОВАННОЙ ЧАСТОТНО-АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ДЛЯ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

Специальность 05.12.04 Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 2006

Работа выполнена на кафедре Радиоприемных устройств Московского энергетического института (технического университета)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

СМОЛЬСКИЙ Сергей Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

КАРТАШЕВ Владимир Герасимович

кандидат технических наук, доцент МУСЯНКОВ Михаил Иванович

Ведущая организация: ОАО "НИИ полупроводниковых приборов", г. Томск

Защита состоится 26 октября 2006 г. в 15 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, Д. 17, аудитория А-402.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан "СЫагМ^х.

диссертационного совета Д 212.157.05 кандидат технических наук, доцент Т.И. Курочкина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

Системы с различными видами частотной модуляции (4M) сигналов находят широкое применение в различных радиотехнических устройствах. Особое место среди 4M систем занимают системь; с быстроменяющимися параметрами, которые применяются в разных областях, в том числе в измерительных и локационных системах ближнего действия, работающих обычно в режиме непрерывного излучения, в широкополосных цифровых приемниках и т.п. Подобные системы с 4M могут использоваться для прецизионных измерений вибраций машин и механизмов, уровней жидкостей и сыпучих продуктов в закрытых резервуарах, давления внутри мощных турбин, толщины напыляемых плёнок, отклонений различной природы, например зданий, смещения ледников, в авиационных альтиметрах, системах стыковки, в транспортных радарах, в том числе со сверхширокополосными сигналами.

В ряде случаев особенности таких систем тесно связаны с их динамическими свойствами, когда необходимо учитывать быстрые изменения параметров наблюдаемых объектов, например, быстрое движение автомобилей, двигающихся по пересекающимся траекториям. В таких ситуациях анализ переходных и быстроменяющихся процессов и сигналов в системе является принципиальным, и использование широко распространённых в теоретической радиотехнике методов квазигармонического анализа сигналов недопустимо. Поэтому поиск более адекватных задачам моделей сигналов, совершенных методов анализа 4M систем, учитывающих быстроменяющиеся параметры, является одной из ключевых задач проектирования таких систем.

Анализ и исследования в области 4M систем проводятся достаточно давно. В этом направлении опубликовано большое количество работ и монографий представителями разных научных школ. Вопросами анализа 4M систем в разных постановках занимались такие видные отечественные специалисты, как A.C. Ви-ницкий, И.С. Гоноровский, A.A. Харкевич, А.Д. Артым, В.Г. Соколинский, С.И. Евтянов, В.Н. Кулешов, В.М. Богачев. Теорию и практическое использование 4M радаров и автодинных измерителей развивали школы МЭИ (В.М. Богачев, С.М.Смольский, И.В. Комаров и др.), МГПИ (Ю.Л. Хотунцев, Е.М. Гершензон, Д.Я. Тамарчак), МГТУ (Б.И. Шахтарин), Нижнетагильской группы (Б.Н. Туманов,

В.Я. Носков), Томской группы (С,Д. Воторопин). Большой вклад внесли многие представители промышленности.

Серьезные работы по ближним системам многие годы велись на кафедрах РПУ, ФКС и АУиРРВ МЭИ при участии И.В. Комарова, В.М. Богачева, С.М. Смольского, E.H. Васильева, Д.А. Дупленкова, где получены важные теоретические и практические результаты по высокоточным, прецизионным 4M измерителям различного назначения.

Исследованиями в этой области занимаются и сейчас многие отечественные и зарубежные специалисты, но считать анализ завершенным нельзя, поскольку при исследовании 4M систем приходится сталкиваться со многими специфическими трудностями, связанными с условиями работы: сложностями анализа и обработки (аналоговой и цифровой) 4M сигналов; недостаточной развитостью математического аппарата для оценки параметров формируемых и обрабатываемых 4M сигналов; необходимостью использования приближенных методов анализа; возникновению перекрёстных и комбинационных типов модуляций, например 4М-АМ, в нелинейных и параметрических системах. Теоретические наработки гю анализу столь сложных систем порой оказываются недостаточно точными, что часто приводит на практике к серьёзным ошибкам. Поэтому проблема анализа и особенностей проектирования радиосистем, использующих сигналы с комбинированной модуляцией, к которой относится и настоящая диссертационная работа, является на сегодняшний день весьма актуальной.

Автор выражает благодарность научному руководителю профессору С.М. Смольскому и научным консультантам профессору С.М. Каплунову и доценту И.В. Комарову.

Цель работы

Цель работы — разработка уточнённой теоретической модели 4М-АМ сигналов, применяемых в реальных быстродействующих системах с 4M, распространение методики составления и решения символических укороченных уравнений на 4М-АМ сигналы, реализация на базе разработанной модели эффективных методов анализа, проектирования и обработки информационных сигналов в трактах быстродействующих 4M систем, в том числе с использованием программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) в тракте цифровой обработки сигналов (ЦОС), а также экспериментальная проверка результатов с ориентиров-

4

кой на миллиметровые автодинные системы ближней радиолокации (СБРЛ) и на современные автоматизированные цифровые узлы обработки.

Для достижения сформулированной цели в представленной диссертационной работе решаются следующие основные задачи.

1. Выбор математической модели ЧМ-АМ сигнала, правильно аппроксимирующего реальный сигнал на выходе различных схем ЧМ генераторов и авто-динов. Изучение особенностей формирования таких сигналов, методов оценки их параметров и характеристик. Составление рекомендаций по их практическому применению.

2. Распространение методики составления символических укороченных уравнений С.И. Евтянова для ЧМ-АМ систем с учетом динамических свойств этих систем и применяемых сигналов.

3. Исследование основных свойств полученных моделей сигналов с комбинированной ЧМ-АМ модуляцией и особенностей их прохождения через типовые каскады радиоприемных трактов ЧМ систем. Выработка практических рекомендаций по компенсации и устранению влияния паразитной амплитудной модуляции на полезный ЧМ сигнал при их взаимодействии.

4. Изучение влияния свойств ЧМ-АМ сигналов на погрешность измерений и качественная оценка их влияния на параметры автодинных СБРЛ. Разработка математических моделей качественной оценки этих параметров, и выработка практических рекомендаций по повышению эффективности работы автодинных СБРЛ.

5. Разработка алгоритмов цифровой обработки информационных сигналов в СБРЛ, ориентированных на ПЛИС, с учётом проведённых теоретических исследований. Формирование практических рекомендаций при проектировании трактов обработки систем ближней радиолокации.

6. Проведение экспериментальных исследований автодинных устройств в миллиметровом диапазоне.

Методы исследования

При выполнении диссертационной работы использовались хорошо обоснованные методы временного и спектрального анализа, обработки сигналов, метод Ван-дер-Поля, метод укороченных уравнений Евтянова, теория и методы дифференциального и интегрального исчисления, а также методы ЦОС. Для качественной оценки разработанных моделей сигналов использовались методы математи-

5

ческого моделирования. Обработка информационных сигналов проводилась с использованием цифровых методов обработки, языка программирования ПЛИС АЬШЬ, которые осуществлялись в специ&пизированном пакете МахР1ия II. Проверка работоспособности моделей и оценка параметров ПАМ проводилась путем экспериментальных измерений.

Научная новизна диссертации

1. Разработаны и исследованы модели сигналов с комбинированной ЧМ-АМ модуляцией, по параметрам наиболее близкие к реальным ЧМ сигналам, применяемым на практике в быстродействующих ЧМ системах. Разработаны необходимые уточнения к теории ЧМ систем, а также показана необходимость совершенствования теоретического анализа ЧМ автодинных систем ближнего действия.

2. Исследованы динамические характеристики быстродействующих ЧМ систем, в том числе автодинных СБРЛ, а также типовых каскадов трактов обработки сигналов в этих системах, при использовании усовершенствованных моделей ЧМ-АМ сигналов.

3. Метод символических укороченных уравнений Евтянова распространен на случай порождающих сигналов с комбинированной ЧМ-АМ модуляцией. Получены укороченные дифференциальные уравнения (ДУ) для ЧМ систем при использовании ЧМ-АМ сигналов.

4. Разработан алгоритм качественной оценки влияния ПАМ на характеристики автодинных СБРЛ. Найдены характеристики ПАМ при различных вариациях основных параметров, таких как глубина модуляции, расстояние до отражающего объекта, частота модуляции и временные характеристики автодина.

5. Разработан эффективный алгоритм цифрового моделирования и цифровой обработки информационных сигналов в радарах ближнего действия. Оценена эффективность этого алгоритма при исследовании характеристик ЧМ автодинов.

6. Спроектирована и реализована экспериментальная установка для анализа автодинов миллиметрового диапазона с частотной модуляцией, изучены особенности паразитной амплитудной модуляции при прохождении ЧМ сигнала через тракт ближнего радиолокатора и спектры результирующего и выходного сигналов автодина.

Практическая ценность работы

1) Разработаны рекомендации по расчету динамических характеристик автоколебательных систем, перестраиваемых электрическим сигналом с помощью варикапов. Рекомендации позволили уточнить параметры излучаемых сигналов используемых в быстродействующих ЧМ систем, в том числе автодинных СБРЛ.

2) Получены формулы для определения уровней паразитной амплитудной модуляции при различных законах модуляции частоты, которые позволили минимизировать ПАМ и уменьшить нелинейные искажения генерируемого сигиала.

3) Получены результаты численного анализа и рекомендации по повышению точности измерения расстояний в зоне чувствительности прецизионного измерителя малых перемещений, выполненного на основе ЧМ автодииа, что позволило поднять точность и увеличить диапазон измерений;

4) Разработаны рекомендации по проектированию блоков обработки сигналов автодинных СБРЛ различного назначения, основанные на спектральных экспериментальных измерениях и методах анализа информационных сигналов, в том числе с использованием цифровых методов обработки на базе ПЛИС.

Положения, выносимые на защиту

1. Модель порождающего ЧМ-АМ сигнала при анализе радиотехнических устройств, близкого по параметрам к реальному сигналу.

2. Методика получения порождающих уравнений для параметрических ЧМ систем с учетом влияния ПАМ.

3. Методика составления укороченных символических уравнений для устройств формирования и обработки сигналов.

4. Методика расчёта ПАМ в ЧМ-АМ системах на основе найденных укороченных уравнений.

5. Алгоритм цифровой реализации одного из способов спектральной обработки информационных сигналов фазовым методом в автодинных СБРЛ, реализованный на базе ПЛИС.

6. Структура и функционирование экспериментальной установки по исследованию и отладке миллиметровых автодинов на диодах Ганна.

Апробация результатов работы

Результаты работы докладывались на нескольких международных научно-технических конференциях (НТК) студентов и аспирантов МЭИ "Радиоэлек-

7

троника, электротехника и энергетика" (Москва, 2002-2006 г.), на международной НТК "Новые биокибернетические и телемедицинские технологии 21 века для диагностики и лечения заболеваний человека" ("НБИТТ-21", Петрозаводск, 2003 г.), на международной НТК "Системный подход в науках о природе, человеке и технике" (Таганрог, 2003 г.), на Всероссийском конкурсе отбора на лучшие научно-технические и инновационные работы студентов по техническим наукам (Москва МГТУ им Баумана 2003 г.), на "Федеральной итоговой НТК творческой молодёжи России по естественным, техническим, гуманитарным наукам" (Москва, МИЭМ, 2003 г.), на шестой международной НТК "Цифровая обработка сигналов и её применение" (Москва, 2004 г.), на Всероссийской НТК "Информационно-телекоммуникационные технологии" (Сочи, 2004 г.), на международной НТК "110 ЛЕТ ИЗОБРЕТЕНИЯ РАДИО" (Санкт-Петербург, ЭТУ "ЛЭТИ", 2005 г.), на международном симпозиуме по радиолокации ("International Radar Symposium 2005" IRS 2005, Germany, Berlin, 2005), на 60-ой Юбилейной научной сессии РНТОРЭС, посвященной Дню радио.

Использование результатов работы

Результаты работы использовались при выполнении хозрасчетной НИР, научных исследований по гранту по итогам "Федеральной итоговой научно-технической конференции творческой молодёжи России по естественным, техническим, гуманитарным наукам" (Москва, МИЭМ, МГТУ им. Баумана, 2003 г.), а также в учебном процессе кафедры РПУ МЭИ (ТУ) и Московского государственного колледжа информационных технологий в качестве демонстраций для студентов работы КВЧ СБРЛ миллиметрового диапазона. Получено два акта внедрения результатов от промышленных организаций.

Публикации по теме диссертации

Материалы диссертационной работы опубликованы в 16 печатных работах, среди которых 14 тезисов докладов на международных конференциях и симпозиумах и две статьи в научно-технических журналах.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы. Объем работы 167 страниц, включая 55 рисунков, 10 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность проведённых исследований. Дается общая характеристика диссертационной работы: описана ее структура и состав, перечислены признаки научной новизны и основные практические результаты. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту, приведены некоторые фактические данные.

В первой главе диссертации на основании литературных сведений излагается общее состояние рассматриваемой проблемы и намечаются пути её частичного решения. Здесь в обзорном плане описываются литературные источники, которые легли в основу представленной диссертационной работы, по методам анализа ЧМ сигналов, вопросам формирования ЧМ сигналов и возникновения паразитной амплитудной модуляции в быстродействующих ЧМ системах. В главе уделено внимание вопросам анализа, функционирования и проектирования быстродействующих радиотехнических устройств, включая автодинные обнаружители с частотной модуляцией, а также описываются основные принципы работы авто-динных измерительных систем ближнего действия, обосновывается необходимость и актуальность формулировки проблемы диссертационного исследования, формируется первичная постановка главных задач исследования.

Во второй главе рассматриваются основные положения теории формирования ЧМ колебаний с точки зрения их применения для быстродействующих радиотехнических устройств широкого назначения, излагаются основные вопросы постановки задачи, рассматриваются отличительные особенности быстродействующих ЧМ систем, в том числе автодинных СБРЛ.

Показано, что для анализа быстродействующих ЧМ систем при теоретическом анализе не удается пользоваться привычными методами усреднения или подобными им, а необходимо анализировать сложные нелинейные ДУ, выделяя потом из решения требуемые характеристики. Поэтому исключительно важным для результатов становится вопрос о соответствии выбранной модели сигнала реальной ситуации, т.е. проблема сводится, во-первых, к требованию наличия четкого соответствия между формой порождающего решения исследуемого нелинейного дифференциального уравнения и формой самого порождающего ДУ, соответствующего процессу формирования ЧМ сигнала.

В главе описывается подход выбора уточненной формы порождающего решения для задачи формирования ЧМ сигнала, показано, что для описания динамических свойств ЧМ систем некорректной является используемая многими специалистами модель сигнала без учета паразитной амплитудной модуляции (НАМ):

где ио - амплитуда ЧМ сигнала, не зависящая от времени (именно в этом и заключается первоначальная предпосылка прежних работ); а0 - центральная частота сигнала, не зависящая от времени; е = А со/^ безразмерный коэффициент ЧМ, равный нормированной девиации частоты; у(Г) — некоторая безразмерная периодическая функция времени, определяющая закон ЧМ, на которую обычно накладывают разумные предположения о медленности и небольшой величине у < 1; <рц - начальная фаза колебания.

Анализ классической системы одноконтурного ЧМ генератора и даже простого колебательного контура, модулируемого по частоте, например, варикапом, дает и точное, и приближенное решение для результирующего сигнала не в виде (1), а в виде более сложного ЧМ-АМ сигнала, причем глубина полезной формируемой ЧМ получается не намного большей, чем глубина ПАМ. Иначе говоря, при учете реальной структуры ЧМ сигнала нельзя утверждать, как это часто принято делать в приемной технике, что ПАМ сигнала имеет более высокий порядок малости по отношению к изменению частоты. Таким образом, более тонкий анализ прохождения быстрого ЧМ сигнала через радиоцепи должен предполагать другую форму исходного сигнала.

В главе рассмотрены различные случаи получения порождающего решения для гармонической модуляция и модуляции произвольной функцией с учетом ПАМ. Показано, что в первом приближении решение для заряда представляет собой сложный ЧМ-АМ процесс, и для произвольного закона модуляции решение имеет вид:

где g(t) - некоторая функция времени, отражающая сигнал ПАМ, т - безразмерный коэффициент ЧМ в амплитудном множителе.

u{t) = Uq sin [a>Qt+g>qS \y{t)dt + (Pq\,

(1)

(2)

При произвольном законе модуляции выражение для реального ЧМ-АМ сигнала для напряжения записывается в форме (с точностью до членов первого порядка малости е ):

u(t) = + 2 £K?)jsin[cy0? + coQ£$y(t)dt + (p0 ], (3)

где Uq -Qq /Cq - постоянная во времени начальная амплитуда ЧМ-АМ сигнала.

В диссертации показано, что использование стандартного уравнения для сигнала напряжения вместо уравнения для сигнала заряда приводит к неверному определению коэффициента модуляции амплитуды (заниженному в три раза) и фазы огибающей амплитуды (сдвинутой на 180°).

Многие авторы, анализируя генераторы ЧМ колебаний, считали, что если в стандартном ДУ для напряжения в таком контуре заменить постоянную емкость контура на меняющуюся от времени, то полученное уравнение и даст порождающее решение для ЧМ сигнала, хотя данный подход является ошибочным. В главе рассматриваются особенности получения ДУ для параметрических ЧМ систем, на примере простейших автоколебательных систем.

В главе показано, что во многих работах, посвященных ЧМ системам, начальные предпосылки возникновения ПАМ изначально ставятся неверно. Оказывается, уровень сопутствующей ПАМ в условиях работы быстродействующих ЧМ систем может быть сопоставим с уровнем полезной ЧМ, и, следовательно, должен аккуратно учитываться. Предложенные в главе модели ЧМ-АМ сигналов достаточно хорошо описывают влияние ПАМ на выходной сигнал и могут быть использованы при анализе быстродействующих радиотехнических устройств.

Третья глава посвящена вопросам распространения метода символических укороченных уравнений С.И. Евтянова на случай ЧМ-АМ систем и сигналов. При анализе высокодобротных радиотехнических устройств этот метод получил широкое распространение, но при рассмотрении динамических свойств ЧМ систем этот метод напрямую неприменим. Основная цель рассматриваемой главы - распространить предложенное ранее обобщение метода символических укороченных уравнений С.И. Евтянова на более общий случай ЧМ-АМ сигнала.

В основе анализа используется символическая проводимость колебательной системы, представленная в виде:

где Я и Q - полиномы произвольной степени от символического оператора ]со и введена некоторая зависящая от времени функция отражающая осуществление модуляции (в нашем случае, частотной). Функция ¿¡(1) отражает именно тот факт, что колебательная система содержит зависимые от времени параметры (например, управляемый напряжением варикап).

Полное дифференциальное уравнение ЧМ системы в символической форме принимает вид:

где u(t)- мгновенное напряжение на избирательной системе, i(t) - ток, втекающий в нее, R и Q— числитель и знаменатель символического адмиттанса. Для получения из символического уравнения (5) обычного ДУ для исходного ЧМ-АМ сигнала мы вводим комплексные амплитуды сигналов тока и напряжения относительно опорной частоты соа. При представлении порождающего решения ЧМ-АМ сигналом, исходную комплексную амплитуду теперь будем представлять выражением:

Здесь считается, что напряжение и{!) действует на переменной емкости контура (на варикапе), поэтому в выражении фигурирует коэффициент 3/2. Аналогично вводим комплексную амплитуду для тока, предполагая, как обычно, что сигнал тока в автогенераторе и автодине - вторичный (в нем возникает ПАМ из-за сигнала Г1АМ в напряжении):

где /(/) и фО) — медленно меняющиеся амплитуда и фаза тока. Подставляя мгновенные значения сигналов, выраженные через комплексные амплитуды (6),(7), в символическое уравнение (5), и далее для конкретизации параметрического воздействия раскладывая функции Я и £) в ряд Тейлора по степеням оператора, получим дифференциальные уравнения для комплексных амплитуд, в которых учитываются воздействия операторов на:

R(ja, fS)u(f) = Q(jco, /.i)i{t),

(5)

(6)

(7)

- комплексные амплитуды и фазы напряжения и тока;

- зависящую от времени частоту колебаний, полезной ЧМ модуляции сигнала;

- параметры колебательной системы, которые определяют ПАМ и уточняют характеристики процесса ЧМ.

В главе показан вывод в общем виде комплексных укороченных ДУ в первом приближении для параметрических ЧМ систем:

а^.Зи + {(Угу)аг. „ и [• + «а. „ и+ ]со~а, ,3и+ у 2(й>0 + До)[(у«)а20 17 )

+ «20-Аса2 +

I

+ I

т-3

,(«-2и«-3)Г. 2/ . . Г • 1

г |(у<у)аш0 и|+Ат - 0«о „0 ^ Ал»I+

(8)

= <ж

¿оо^оЛо

где и - коэффициенты разложения функций в ряды Маклорена по малому

параметру 8 (затухание), а С)™}- константа, возникающая при разложении квадрата суммы от т-ой производной, появляющаяся при дифференцировании по времени экспоненциального члена.

В главе предложен метод анализа параметрических (модулируемых) систем для ЧМ-АМ сигналов, рассмотрены случаи получения укороченных уравнений для конкретных схем, показан вывод в общем виде комплексных укороченных ДУ в первом приближении для параметрических ЧМ систем, рассмотрены конкретные примеры расчета ПАМ для различных схем с использованием выработанного подхода при различных законах модуляции частоты.

В четвёртой главе рассмотрены особенности применение спектральных методов обработки сигналов при высокоточных измерениях приращения расстояний. В главе описываются алгоритмы одного из вариантов спектральной обработки, основанного на фазовых измерениях различных спектральных составляющих, которые позволяют проводить прецизионные измерения приращения

расстояний при таких исследованиях, как измерения вибраций крупногабаритной

13

техники, давления внутри турбин, толщины напыляемых плёнок. В работе предложен один из вариантов практической реализации представленных алгоритмов с использованием для этих целей программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).

В основе работы измерителя лежит принцип радиолокационного измерения при непрерывном излучении ЧМ КВЧ зондирующего сигнала (рис.2).

Рис.2. Структурная схема прецизионного КВЧ ЧМ измерителя малых перемещений.

(БОС - блок обработки информационного сигнала) В главе описываются исходные соотношения для сигналов и основные принципы работы измерителя. Частотная модуляция осуществляется линейной неравнобедренной пилообразной функцией уп{1). По фазовому рассогласованию между преобразованным сигналом и опорным модулирующим сигналом, их соответствующими гармониками, определяется расстояние до отражающей поверхности. Для определения фазового рассогласования используется блок ЦОС.

Блок ЦОС содержит два канала: для преобразованного сигнала и для опорного сигнала. Алгоритм обработки сигналов заключается в следующем. Набег фазы преобразованного сигнала относительно опорного возможно вычисляется через полные фазы каждого из сигналов, которую, в свою очередь, определяются через квадратурные составляющие:

АЛ = агс1£

(9)

(Б С —3 С л пр_1 пр_1 оп_1 пр_1

С С 5"

, ОП_\ пр_1 ОП_1

где Янач - начальное расстояние до поверхности, п - количество переходов фазы

+ +Кнач>

через нулевое значение.

Разработаны алгоритмы ЦОС, позволяющие усовершенствовать тракт обработки сигналов ЧМ радиолокатора ближнего действия. Предложены алгоритмы по "сшивке" фазы преобразованного сигнала, которые реализованы на базе ПЛИС,

14

что дает возможность параллельно с высокой точностью определения сверх малых перемещений, значительно увеличить диапазон измерений.

Проектирование и разработка ПЛИС, осуществляющей процесс обработки сигналов измерителя по разработанным алгоритмам, осуществлялась на языке AlteraHDL (AHDL) с использованием САПР "MAX+plus II" фирмы "Altera". С помощью этого же пакета проводилось конфигурирование, функциональное исследование и временной анализ работы ПЛИС. В результате получено текстовое описание ПЛИС на языке AHDL, осуществлена проверка работоспособности ПЛИС.

В главе рассмотрены параметры, влияющие на точность измерения расстояний, такие как нелинейность модуляционной характеристики модулятора, нестабильность центрального колебания, и др. Предложены способы уменьшения их негативного влияния. Проведены сравнительные исследования, показывающие, что полученные в работе схемные решения, реализующие разработанные алгоритмы, позволяют повысить точность измерения расстояний, увеличить диапазон измерений. Предложенные алгоритмы и практические рекомендации могут быть использованы при проектировании трактов обработки ЧМ измерителей непрерывного излучения, а также интерферометрических систем.

Пятая глава посвящена экспериментальному исследованию особенностей практических измерений сигналов, применяемых в автодинных и гомодинных ЧМ системах миллиметрового диапазона. В главе рассматриваются вопросы проектирования автоматизированной измерительной установки по исследованию спектров и основных параметров высокочастотных и низкочастотных сигналов, действующих в автодинных СБРЛ, описываются возможности реализации цифровых методов анализа и оценки информационных радиолокационных сигналов.

В основе экспериментального исследования стояла необходимость измерения основных параметров ЧМ автодина КВЧ диапазона, включая автономные характеристики, уровень паразитной амплитудной модуляции (ПАМ) при вариации различных параметров, таких как частота модуляции, глубина полезной ЧМ модуляции для разных способов имитации Допплер-эффекта с различными частотами, и воздействие эффекта Допплера на параметры ПАМ, влияние расстояния на уровень ПАМ при ЧМ зондирующего сигнала с различными законами ЧМ и практическая проверка полученных в диссертации теоретических результатов, основанных на аналитическом и математическом моделировании. Представлены

15

практические результаты исследований сигналов автодинных систем миллиметрового диапазона с различными законами частотной модуляции (рис.3).

а). б).

Рис.3, а). Автодинный низкочастотный (НЧ) сигнал при модуляции пилообразной несимметричной функцией (1 кГц), б). Вид ПАМ при модуляции частоты пилообразной несимметричной функцией (1 кГц).

На рисунке 3 а), изображены эпюры НЧ автодинного сигнала при модуляции пилообразной несимметричной функцией (1 кГц). Огибающая спектра сигнала соответствует полезной составляющей с частотой 30 Гц с имитатора Доп-плер-эффекта находящегося на расстоянии 3 м, наблюдаются также шумы на уровне 0.1 В, при этом ярко выражена симметрия верхний и нижней частей относительно среднего значения. При таком виде модуляции на расстоянии от антенны до объекта 3 м ярко выражена ПАМ (рис.Зб), повторяющая по форме функцию модуляции частоты на варикапе, при этом вид ПАМ отличается от линейного в пределах периода модуляции, подобные осцилляции вызваны влиянием параметров антенны на форму излучаемого и принимаемого ВЧ сигналов.

Для реализации измерений был разработан макет автодинной СБРЛ, включающий высокочастотный блок (на базе ЧМ автодина на диоде Ганна) и тракта формирования и обработки сигналов и компьютера с программным обеспечением, позволяющим наблюдать выходные данные, анализировать спектр сигналов и управлять оцифровкой сигналов. В главе приводятся основные практические рекомендации по уменьшению и компенсации влияния ПАМ, при решении конкретных задач.

В заключении подводятся итоги работы, приводится сводка основных научных результатов, главные из которых состоят в следующем:

1) В диссертации для параметрических ЧМ систем показана необходимость уточнения теории анализа СБРЛ с учетом более точных моделей порождающих

решений, описывающих ЧМ сигналы, при этом изначально ЧМ сигнал, рассматривается с учетом ЧМ-ЛМ модуляции. Предложены модели сигналов с учетом ПАМ, позволяющие более точно оценивать уровень ПАМ, возникающей при формировании ЧМ сигналов.

2) Предложены методы получения порождающих уравнений для различных параметрических ЧМ-АМ систем, при этом показано, что переход от систем с постоянными параметрами к системам с переменными параметрами в некоторых случаях может приводить к существенным ошибкам при оценке параметров ЧМ-АМ систем.

3) Метод символических укороченных уравнений Евтянова распространен на случай порождающих сигналов с комбинированной ЧМ-АМ модуляцией. Получены в общем виде укороченные ДУ для ЧМ систем при использовании ЧМ-АМ сигналов.

4) Предложена методика для анализа параметрических ЧМ-АМ систем, основанная на получении укороченных ДУ и последующей оценке уровня ПАМ из полученных укороченных уравнений для различных законов модуляции.

5) Разработан алгоритм качественной оценки влияния ПАМ на характеристики автодинных СБРЛ. Найдены характеристики ПАМ при различных вариациях основных параметров, таких как глубина модуляции, расстояние до отражающего объекта, частота модуляции и временные характеристики автодина.

6) Предложены алгоритмы цифровой реализации одного из способов спектральной обработки сигналов, основанной на оценке фазовых рассогласований спектральных составляющих опорного и преобразованного сигналов. Проведена оценка погрешности предложенных алгоритмов обработки сигналов, симуляция и отладка проекта программы для ПЛИС осуществлялась на языке AHDL в пакете MaxPlus II фирмы "Altera".

7) Разработан макет исследовательской установки по изучению автодинных ЧМ СБРЛ, позволяющий проводить качественную и количественную оценку основных параметров сигналов в таких системах с использованием ЭВМ. Реализация макета осуществлена на миллиметрового ЧМ автодина на диоде Ганна. Для макета установки разработаны алгоритмы обработки сигналов, реализован блок аналоговой обработки. Для оцифровки сигналов и последующего ввода данных в ЭВМ в макете использованы отладочные платы фирмы Analog Device.

17

8) На макете исследовательской установки проведена экспериментальная оценка уровня ПАМ при различных законах модуляции частоты, изменяемой с помощью варикапа; получены многочисленные экспериментальные характеристики автодинного сигнала и уровня ПАМ при вариации различными параметрами ЧМ сигнала, такими как частота доплеровского имитатора, частота модуляции, а также расстояние, измерены основные характеристики КВЧ блока.

Список публикаций по теме диссертации

1. Остапекков П.С. Блок цифровой обработки сигналов прецизионного дальномера СВЧ диапазона. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. 8 Междунар. НТК студентов и аспирантов. Т. 1. - М., МЭИ, 2002. - С.61-62.

2. Остапенков П.С. Некоторые вопросы цифровой реализации интегральной обработки преобразованного сигнала ЧМ радиолокатора ближнего действия. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. 9 Междунар. НТК студентов и аспирантов. Т. 1. - М., МЭИ, 2003. - С.52-53.

3. Комаров И.В., Остапенков П.С., Смольский С.М. Базовые алгоритмы и проектирование на основе ПЛИС блока цифровой обработки сигналов высокоточного радиолокационного измерителя малых перемещений. // Новые биокибернетические и телемедицинские технологии 21 века для диагностики и лечения заболеваний человека: Материалы междисциплинарной междунар. науч. конф. -Петрозаводск, ПТУ, 2003. - С. 53-54.

4. Остапенков П.С. Синтез устройства цифровой обработки сигналов прецизионного измерителя перемещений на базе ПЛИС. // Системный подход в науках о . природе, человеке и технике: Материалы междунар. науч. конф. 4.4. —Таганрог, ТГРТУ, 2003. - С. 40-41.

5. Остапенков П.С. Проектирование на базе ПЛИС блока цифровой обработки сигналов высокоточного радиолокационного измерителя малых перемещений. // Всероссийский конкурс отбора на лучшие науч.-тех. и инновационные работы студентов по технич. наукам: Тез. - М., МГТУ им. Баумана, 2003. - С. 46-48.

6. Остапенков П.С. Проектирование на базе ПЛИС блока цифровой обработки сигналов высокоточного радиолокационного измерителя малых перемещений. //Федеральная итоговая НТК творческой молодёжи России по естественным, техническим, гуманитарным наукам: Материалы конф. -М., МИЭМ, 2003 - С. 109-111.

7. Смольский С.М., Остапенков П.С. Применение ПЛИС для цифровой обработки сигналов в высокоточных радиолокационных измерителях с непрерывным

излучением. // Радиотехнические тетради. - 2004. - № 28. - С. 45-51.

18

8. Остапенков П.С. Особенности обработки сигналов в автодинных РЛС ближнего действия. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. 10 Междунар. НТК студентов и аспирантов. Т. 1. - М., МЭИ, 2004. - С. 56-57.

9. Смольский С.М., Остапенков П.С. Цифровая обработка сигналов высокоточного радиолокационного измерителя сверхмалых перемещений. // Цифровая обработка сигналов и её применение: Материалы 6 Междунар. НТК - М., Ии-связьиздат, 2004. B.VI-2. -С. 207-210.

10. С.Д. Воторопин, И.В. Комаров, П.С. Остапенков, В.И. Плещеев, H.H. Савков, С.М. Смольский, A.A. Трофилеев, М.И. Чельдиев. Перспективные миллиметровые автодинные ЧМ-локаторы с непрерывным излучением для задач обнаружения, измерения и управления. //Информационно-телекоммуникационные технологии. Тез. докл. Всерос. НТК. -М., МЭИ, 2004. - С. 154-156.

11. Смольский С.М., Воторопин С.Д., Савков H.H., Плещеев A.A., Трофилеев A.A., Остапенков П.С., Федотов A.M. Автодинные ЧМ-локаторы КВЧ-диапазона с непрерывным излучением. // Технология и конструирование в элеетронной аппаратуре. Украина. Одесса. - 2005. - №1(55). - С. 7-13.

12. Остапенков П.С. Прохождение ЧМ-АМ сигналов через избирательные цепи трактов обработки автодинных РЛС с непрерывным излучением. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. 11 Междунар. НТК студентов и аспирантов. Т. 1. - М„ МЭИ, 2005. - С. 59-60.

13. Ostapenkov P.S., Smolskiy S.M. High-Precision FMCW Short-Range Radar with Digital Signal Processing //110 Anniversary of Radio Invention: Proc. of St.Petersburg IEEE Chapters 2005. - St.Petersburg, LETI, 2005. - C. 46-51.

14. Ostapenkov P.S., Smolskiy S.M. Digital signal processing in high-precision FM radar measuring instrument of extra-small displacement. // International Radar Symposium 2005: Proc. of IRS 2005. - Germany. Berlin, DGON, 2005. - P.375-380.

15. Остапенков П.С., Смольский С.М. О выборе порождающего решения при анализе прохождения 4M сигнала через узлы обработки.//Труды РНТОРЭС им. A.C. Попова. 60-ая Юбилейная научная сессия. В. LX-2.-M., Инсвязьиздат, 2005.-С. 118-121.

16. Остапенков П.С. Некоторые особенности применения ЧМ-АМ сигналов в цепях трактов обработки автодинных 4M РЛС ближнего действия. // Радиоэтро-ника, электротехника и энергетика: Тез. докл. 12 Междунар. НТК студентов и аспирантов. Т. 1. - М„ МЭИ, 2006. - С. 88-89. •

Подписано в печать Тир. /С'£> п.л. ¿Я 6

Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

Введение.

Глава 1. Аналитический обзор литературы и постановка задачи.

1.1 Введение.

1.2 Обзор литературы, посвящённой методам анализа параметрических и нелинейных ЧМ систем и систем СБРЛ.

1.3 Выводы.

Глава 2. Общие вопросы постановки задачи анализа быстродействующих ЧМ систем.

2.1 Введение.

2.2 Исходные положения постановки задачи.

2.3 Получение порождающих уравнений для диссипативного последовательного контура.

2.4 Получение порождающего уравнения для диссипативного параллельного контура.

2.5 Получение порождающих дифференциальных уравнений для автоколебательных систем.

2.6 Выводы.

Глава 3. Распространение метода символических укороченных уравнений на случай формирования и обработки ЧМ-АМ сигналов.

3.1 Введение.

3.2 Метод символических укороченных уравнений для анализа автоколебательных систем при использовании ЧМ-АМ сигналов в качестве порождающих.

3.3 Укороченные дифференциальные уравнения для одноконтурных автогенераторов с ЧМ-АМ при синусоидальной модуляции частоты.

3.4 Паразитная амплитудная модуляция в автодинах при различных законах модуляции.

3.5 Выводы.

Глава 4. Применение фазовых методов обработки частотно-модулированных сигналов при высокоточных измерениях.

4.1 Введение.

4.2 Принцип работы высокоточного автодинного ЧМ измерителя сверхмалых перемещений.

4.3 Исходные соотношения для автодинных сигналов и основные принципы работы измерителя.

4.4 Особенности проектирования блока цифровой обработки сигналов.

4.5 Описание проектирования и работы блока вычислений на базе ПЛИС.

4.6 Выводы.

Глава 5. Экспериментальные измерения автодинного сигнала и уровня ПАМ в миллиметровом авто дине на диоде Ганна с ЧМ.

5.1 Введение.

5.2 Принципы функционирования макета установки КВЧ автодинных измерителей.

5.3 Результаты измерений основных характеристик автодина.

5.4 Измерение автодинного сигнала с учетом параметров модуляции

5.5 Выводы.

Системы с различными видами частотной модуляции (ЧМ) находят широкое применение в различных радиотехнических устройствах. Особое место среди ЧМ систем занимают системы, которые используются в ситуациях с быстроменяющимися процессами, характерными для разных применений, в том числе в измерительных и локационных системах ближнего действия, работающих обычно в режиме непрерывного излучения, в широкополосных цифровых приемниках и т.п. Подобные системы с ЧМ могут использоваться для прецизионных измерений вибраций машин и механизмов, уровней жидкостей и сыпучих продуктов в закрытых резервуарах, давления внутри мощных турбин, толщины напыляемых плёнок, отклонений различной природы, например зданий, смещения ледников, в авиационных альтиметрах, системах стыковки, в транспортных радарах, в том числе со сверхширокополосными сигналами.

В ряде случаев анализ таких систем тесно связан с их динамическими свойствами, когда необходимо учитывать быстрые изменения параметров наблюдаемых объектов, например, быстрое движение автомобилей, двигающихся по пересекающимся траекториям. В таких ситуациях анализ переходных и быстроменяющихся процессов и сигналов в системе является принципиальным, и использование широко распространённых в теоретической радиотехнике методов квазигармонического анализа часто оказывается недопустимым. Поэтому поиск более адекватных таким задачам моделей сигналов, совершенных методов анализа систем с ЧМ, учитывающих быстроменяющиеся параметры, является одной из ключевых задач их проектирования.

Исследованиями в этой области занимаются (как издавна, так и сейчас) многие отечественные и зарубежные специалисты, но считать анализ завершенным нельзя, поскольку при исследовании ЧМ систем приходится сталкиваться со многими специфическими трудностями, связанными с условиями работы: сложностями анализа и обработки (аналоговой и цифровой) ЧМ сигналов; недостаточной развитостью математического аппарата для оценки параметров формируемых и обрабатываемых ЧМ сигналов; необходимостью использования приближенных методов анализа; возникновению перекрёст-} ных и комбинационных типов модуляций, например ЧМ-АМ, в нелинейных и параметрических системах. Теоретические наработки по анализу столь сложных систем порой оказываются недостаточно точными, что часто приводит на практике к серьёзным ошибкам. Поэтому проблема анализа и особенностей проектирования радиосистем, использующих частотно-модулированные сигналы, к которой относится и настоящая диссертационная работа, является на сегодняшний день весьма актуальной.

Цель диссертационной работы - разработка уточнённой теоретической модели сигналов, применяемых в реальных быстродействующих ЧМ систе-> мах, распространение методики составления и решения символических укороченных уравнений на задачи формирования и обработки ЧМ-АМ сигналов, реализация на базе разработанной модели эффективных методов анализа, проектирования и обработки информационных сигналов в трактах быстродействующих ЧМ систем, в том числе с использованием программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) в тракте цифровой обработки, а также экспериментальная проверка результатов с ориентировкой на миллиметровые автодинные системы ближней радиолокации (СБРЛ) и на современные автоматизированные цифровые узлы обработки.

Для достижения сформулированной цели в представленной диссерта-' ционной работе решаются следующие основные задачи.

1) Выбор математической модели сигнала, правильно аппроксимирующего реальный сигнал на выходе быстродействующих схем ЧМ генераторов и автодинов; изучение особенностей формирования таких сигналов, методов оценки их параметров и характеристик; составление рекомендаций по их практическому применению.

2) Распространение методики составления укороченных уравнений С.И. Евтянова на быстродействующие ЧМ систем с учетом динамических свойств этих систем и применяемых при этом ЧМ-АМ сигналов.

3) Исследование основных свойств полученных моделей сигналов с комбинированной ЧМ-АМ модуляцией и особенностей их прохождения через типовые каскады радиоприемных трактов ЧМ систем. Выработка р практических рекомендаций по компенсации и устранению влияния паразитной амплитудной модуляции на полезный сигнал при их взаимодействии.

4) Изучение влияния свойств ЧМ-АМ сигналов на погрешность измерений и качественная оценка их влияния на параметры автодинных СБРЛ. Разработка математических моделей качественной оценки этих параметров и выработка практических рекомендаций по повышению эффективности работы автодинных СБРЛ.

5) Разработка алгоритмов цифровой обработки информационных сигналов в СБРЛ, ориентированных на ПЛИС, с учётом проведённых теореt тических исследований. Формирование практических рекомендаций при проектировании трактов обработки систем ближней радиолокации.

6) Проведение экспериментальных исследований автодинных устройств в миллиметровом диапазоне.

Научная новизна

1. Разработаны и исследованы модели сигналов с комбинированной ЧМ-АМ модуляцией, по параметрам наиболее близкие к реальным ЧМ сигналам, применяемым на практике в быстродействующих ЧМ системах. Разработаны необходимые уточнения к теории ЧМ систем, а также показана необходимость совершенствования теоретического анализа ЧМ автодинных систем ближнего действия.

2. Исследованы динамические характеристики быстродействующих ЧМ систем, в том числе автодинных СБРЛ, а также типовых каскадов трактов обработки сигналов в этих системах, при использовании усовершенствованных моделей ЧМ-АМ сигналов.

3. Метод символических укороченных уравнений Евтянова распространен на случай порождающих сигналов с комбинированной ЧМ-АМ модуляцией. Получены укороченные дифференциальные уравнения для ЧМ систем

I при использовании ЧМ-АМ сигналов.

4. Разработан алгоритм качественной оценки влияния паразитной амплитудной модуляции* (ПАМ) на характеристики автодинных СБРЛ. Найдены характеристики ПАМ при различных вариациях основных параметров, таких как глубина модуляции, расстояние до отражающего объекта, частота модуляции и временные характеристики автодина.

5. Разработан эффективный алгоритм цифрового моделирования и цифровой обработки информационных сигналов в радарах ближнего действия. Оценена эффективность этого алгоритма при исследовании характеристик ЧМ автодинов.

6. Спроектирована и реализована экспериментальная установка для анализа автодинов миллиметрового диапазона с частотной модуляцией, изучены особенности паразитной амплитудной модуляции при прохождении ЧМ сигнала через тракт ближнего радиолокатора и спектры результирующего и выходного сигналов автодина.

Основные практические результаты

1) Разработаны рекомендации по расчету динамических характеристик автоколебательных систем, перестраиваемых электрическим сигналом с помощью варикапов. Рекомендации позволили уточнить параметры излучаемых сигналов, используемых в быстродействующих ЧМ систем, в том числе автодинных СБРЛ.

2) Получены формулы для определения уровней паразитной амплитудной модуляции при различных законах модуляции частоты, которые позволили минимизировать ПАМ и уменьшить нелинейные искажения генерируемого сигнала.

3) Получены результаты численного анализа и рекомендации по повышению точности измерения расстояний в зоне чувствительности прецизионного измерителя малых перемещений, выполненного на основе ЧМ автодина, что позволило поднять точность и увеличить диапазон измерений; Традиционно термин «паразитная АМ» используется для AM, возникающей при формировании ЧМ сигналов и, в большинстве случаен, негативно сказывающейся на работе. Как показано в диссертации, AM возникает при формировании ЧМ сигналов неизбежно, и часто её необходимо учитывать. Тем не менее, далее мы сохраняем для нее привычную аббревиатуру Г1АМ, хотя более корректным термином, по рекомендации к.т.н. 10.В. Шарова можно считать термин "сопутствующая AM".

4) Разработаны рекомендации по проектированию блоков обработки сигналов автодинных СБРЛ различного назначения, основанные на экспериментальных измерениях и спектральных методах анализа информационных сигналов, в том числе с использованием цифровых методов обработки на базе ПЛИС.

Основные положении, выносимые на защиту

1. Модель порождающего сигнала при анализе СБРЛ, близкого по параметрам к реальному сигналу.

2. Методика получения порождающих уравнений для параметрических ЧМ систем с учетом влияния ПАМ.

3. Распространение методики С.И. Евтянова по получению символических укороченных уравнений в комплексных амплитудах для ЧМ-АМ порождающих сигналов.

4. Методика расчёта ПАМ в ЧМ-АМ СБРЛ на основе укороченных уравнений.

5. Алгоритм цифровой реализации одного из способов спектральной обработки информационных сигналов фазовым методом в автодинных СБРЛ, реализованный на базе ПЛИС.

6. Структура и функционирование экспериментальной установки по исследованию и отладке миллиметровых автодинов на диодах Ганна.

Структура и состав работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы.

5.5 Выводы

В главе исследуются основные характеристики сигналов автодинной быстродействующей ЧМ СБРЛ автодинного типа миллиметрового диапазона.

Для проведения исследования основных параметров и сигналов автодинной ЧМ СБРЛ была разработана измерительная установка, на базе КВЧ автодина на диоде Ганна. Проведены исследования работоспособности КВЧ макета, получены характерные эпюры, соответствующие автодинному сигналу при использовании ЧМ и при имитации Допплер-эффекта. Полученные характеристики оценивались качественными и количественными методами.

Проведена оценка уровня ПАМ, сопутствующей полезной ЧМ для зондирующего и автодинного сигналов при вариации такими параметрами, как частота модуляции зондирующего сигнала, частота Допплер-имитатора, изменение расстояний. В ходе экспериментов теоретические расчеты, полученные в 3 главе диссертации, подтвердились экспериментально. В главе экспериментально подтверждено, что метод анализа ЧМ систем на базе модифицированного метода Евтянова может быть использован при расчете быстродействующих ЧМ систем.

Из характеристик, полученных в ходе эксперимента видно, что с уменьшением расстояния влияние ПАМ на полезный автодинный сигнал значительно усиливается. Картина характерная для автодинного сигнала на значительном расстоянии от антенны существенно отличается от той, которая получается при малых расстояниях, т.е. с уменьшением расстояния уровень ПАМ и уровень полезной модуляции становятся сопоставимы, что подтверждает теоретические данные, изложенные в главе 3.

Проведенные измерения позволили выявить следующие особенности: - модулирующее колебание и колебание, снимаемое с выхода автодина при использовании поглощающей нагрузки, при больших амплитудах заметно искажены, при этом искажениями, вызванными усилителями БОС, можно пренебречь, поскольку их характеристика на низких частотах почти линейна. Поэтому можно сделать вывод о том, что основные искажения вызваны работой варикапа. В частности нелинейностью частотной зависимости излучения автодина от напряжения на варикапе, поскольку характер искажений для разных напряжений смещения на варикапе различный. - при малых амплитудах модулируемых колебаний появляется зашумлённость колебаний, снимаемых с выхода автодина, что вызвано работой СВЧ блока, взаимодействием варикапа и автодина, поскольку модулирующие колебания, поступаемые на вход варикапа такой зашумленности не имели. При этом форма выходных НЧ колебаний, соответствующая ПАМ, повторяет по форме модулирующее НЧ колебание на варикапе, а, следовательно, соответствует по виду модулируемому ВЧ сигналу, что подтверждает теоретические данные. В главе также проведено исследование автодинных модулей в гибридно-интегральном исполнении при непрерывном режиме работы, как с ЧМ по цепи питания диода Ганна, так и с использование варикапа с диодом Ганна планарной конструкции. Полученные в ходе эксперимента осциллограммы подтверждают теоретические данные и позволяют по знаку радиальной скорости при перемене направления движения и соответствующем изменении разности фаз сигналов на 180° определять требуемые характеристики объекта более надёжно, чем это достигается путём сложного анализа формы автодинного сигнала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Важнейшие новые научные результаты диссертации состоят в следующем.

1) Проведен обзор известных научных публикаций по вопросам использования сигналов с частотной и комбинированной частотно-амплитудной модуляцией в радиоустройствах различного назначения, а также по методам их теоретического рассмотрения.

2) Рассмотрены вопросы формирования математической модели ЧМ-АМ сигналов, по параметрам наиболее близких к реальным в практических устройствах формирования радиосигналов. Эта модель позволяет отказаться от часто используемого предположения об отсутствии сигнала ПАМ в задающем ЧМ генераторе и, тем самым, уточнить теоретический анализ. Рассмотрение дифференциального уравнения для заряда (в отличие от уравнения для напряжения) с подобранной моделью сигнала позволяет добиться для практически важного случая высокодобротных систем полного соответствия между исходным дифференциальным уравнением задачи и предложенной моделью порождающего сигнала. В случае учета только первого порядка малости в сигнале ПАМ удается для различных исходных избирательных систем представить более корректным образом входной сигнал радиоприемного устройства в форме, соответствующей реальному формирователю в передатчике.

3) Предложены методы получения порождающих уравнений для различных параметрических ЧМ-АМ систем, при этом показано, что переход от систем с постоянными параметрами к системам с переменными параметрами в некоторых случаях может приводить к существенным ошибкам при оценке параметров ЧМ-АМ систем.

4) Метод символических укороченных уравнений Евтянова распространен на случай порождающих сигналов с комбинированной ЧМ-АМ модуляцией. Получены в общем виде укороченные дифференциальные уравнения для ЧМ систем при использовании ЧМ-АМ сигналов.

5) Предложена методика для анализа параметрических ЧМ систем при использовании ЧМ-АМ сигналов, основанная на получении укороченных дифференциальных уравнений и последующей оценке уровня ПАМ из полученных укороченных уравнений для различных законов модуляции.

6) Разработан алгоритм качественной оценки влияния ПАМ на характеристики автодинных СБРЛ. Найдены характеристики ПАМ при различных вариациях основных параметров, таких как глубина модуляции, расстояние до отражающего объекта, частота модуляции и временные характеристики автодина.

7) Предложены алгоритмы цифровой реализации одного из способов спектральной обработки сигналов, основанной на оценке фазовых соотношений спектральных составляющих опорного и преобразованного сигналов. Проведена оценка погрешности предложенных алгоритмов обработки сигналов, симуляция и отладка проекта программы для ПЛИС осуществлялась на языке AHDL в пакете MaxPlus II фирмы "Altera".

8) Разработан макет исследовательской установки по изучению автодинных ЧМ СБРЛ, позволяющий проводить качественную и количественную оценку основных параметров сигналов в таких системах с использованием ЭВМ. Реализация макета осуществлена на миллиметрового ЧМ автодина на диоде Ганна. Для макета установки разработаны алгоритмы обработки сигналов, реализован блок аналоговой обработки. Для оцифровки сигналов и последующего ввода данных в ЭВМ в макете использованы отладочные платы (Evaluation boards) для 2-х канального 16-ти разрядного АЦП AD7654 фирмы Analog Device.

9) На разработанном макете исследовательской установки проведена экспериментальная оценка уровня ПАМ при различных законах модуляции частоты, изменяемой с помощью варикапа; получены экспериментальные характеристики автодинного сигнала и уровня ПАМ при вариации различными параметрами ЧМ сигнала, такими как частота доплеровского имитатора, частота модуляции, а также расстояние, измерены основные характеристики КВЧ блока.

1. Андронов А А., Леонтович МА. О колебаниях системы с периодически меняющимися параметрами // Журн. рус. физ. техн. общества -Часть физическая 1927. - Т. LIX, Вып. 5-6. - С. 430-442.

2. Н. Roder. Effects of turned circuits upon a frequency modulated signal // Proc. of the Institute of Radio Engineers 1937. - Vol.25. Num.12. - P. 16171647.

3. Горелик Г.С. Резонансные явления в линейных системах с периодически меняющимися параметрами // ЖТФ 1934. - Т. IV. Вып. 10.- С. 1783-1817, 1935. - Т.5. Вып. 2. - С. 196-215, - 1935. Т. 5. Вып. 3. -С. 490-517.

4. Новые исследования нелинейных колебаний / Мандельштам Л. И., Папалекси Н. Д., Андронов А. А., Витт А. А., Горелик Г. С., Хайкин С. Э. -М.: Радиоиздат, 1936. 95 с.

5. Мандельштам Л.И., Папалекси Н.Д. Об обосновании одного метода приближенного решения дифференциальных уравнений // ЖЭТФ. 1934. -Т.4.В.2.-С. 332-354.

6. Агеев Д.В., Кобзарев Ю.Б. О переходных процессах в резонансном усилителе // ЖТФ. -1935. Т.5, В.8. С. 1344-1371.

7. Карсон Дж. Р., Фрай Т.С. Теория переменных электрических цепей с применением к теории частотной модуляции // Bell System Techn. Journal. -1937. -T.16.№4.-C. 513-540.

8. Рытов С.М. О некоторых "парадоксах", связанных со спектральными разложениями // Успехи физических наук. 1946. - Т. XXIX. Вып. 1-2. -С. 147-160.

9. Гоноровский И.С. Частотная модуляция и её применения.- М.: Связьиздат, 1948. 382 с.

10. Гоноровский И.С. Радиосигналы и переходные явления в радиоцепях. М.: Гос.Изд.Лит. по вопросам связи и радио, 1954. - 327 с.

11. Б. Ваи-дер-Поль. Нелинейная теория электрических колебаний. -М.:Связьтехиздат, 1935. 228 с.

12. Евтянов С.И. Переходные процессы в приемно-усилительных схемах.-М.: Связьиздат, 1948.-210 с.

13. Евтянов С.И. О связи между символическими и укороченными уравнениями. // Радиотехника. 1946. №5. - С. 27-34.

14. Лаут Л.Н., Смольский С.М. Перестраиваемый по частоте автогенератор со стабильной амплитудой. // Радиотехника. 1982. - Т.37. №6.-С. 85-88.

15. Смольский С.М., Федотов A.M. Анализ частотно-модулированных радиолокационных автодинов методом символических укороченных уравнений С.И. Евтянова. // Труды LVIII научная сессия РНТОРЭС. М., Т.2, 2003.-С. 27-29.

16. Smolskiy S. М., Fedotov A.M. Analysis of frequency modulated radar autodynes by method of the symbolical abbreviated equations // Proc. of Sino-Russia Intern. Academic Conf. 2000. - China. Beijing - P. 167-173.

17. Вакман Д.Е. Асимптотические методы в линейной радиотехнике. М.: Сов. Радио, 1962. - 248 с.

18. Харкевич А.А. Спектры и анализ. М.: Гос. Изд. Физико-мат. лит. 1962.-236 с.

19. Харкевич А.А. Нелинейные и параметрические явления в радиотехнике. М.: Гос. Изд. Тех.-теорет. лит., 1956. - 186 с.

20. Виницкий А.С., Евдокимов П.И. Особенности переходных процессов в резонансном контуре при манипуляции фазы колебаний и при манипуляции параметров контура // Радиотехника. 1959. - Т. 14. №7. - С. 19-28.

21. Турбович И.Т. Динамические частотные характеристики избирательных систем // Радиотехника. 1957. -Т. 12. №11. - С.39-49.

22. Турбович И.Т. Воздействие частотно- и амплитуд но-модулированных колебаний на линейные системы // Радиотехника. 1960. -№ 1. - С. 24-28.

23. Заездный A.M. Гармонический синтез в радиотехнике и электросвязи. М.: Госэнергоиздат, 1961. - 536 с.

24. Виницкий А.С. Модулированные фильтры и следящий прием ЧМ сигналов. М.: Сов. Радио, 1969. - 548 с.

25. Заездный A.M. Основы расчётов нелинейных и параметрических радиотехнических цепей. М.: Связь, 1973.-448 с.

26. Артым А.Д. Теория и методы частотной модуляции. М.: Госэнергоиздат, 1961. 244 с.

27. Остапенков П.С., Смольский С.М. О выборе порождающего решения при анализе прохождения частотно-модулированного сигнала черезузлы обработки. //Труды РНТОРЭС имени А.С. Попова. 60-ая Юбилейная научная сессия. В. LX-2. -М, Инсвязьиздат, 2005. С. 118-121.

28. Смольский С.М., Остапенков П.С. Применение ПЛИС для цифровой обработки сигналов в высокоточных радиолокационных измерителях с непрерывным излучением. // Радиотехнические тетради. -2004.-№28.-С. 45-51.

29. Остапенков П.С. Синтез устройства цифровой обработки сигналов прецизионного измерителя перемещений на базе ПЛИС. // Системный подход в науках о природе, человеке и технике: Материалы междунар. науч. конф. 4.4. Таганрог, ТГРТУ, 2003. - С. 40-41.

30. Остапенков П.С. Особенности обработки сигналов в автодинных РЛС ближнего действия. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. 10 Междунар. НТК студентов и аспирантов. Т. 1. М., МЭИ, 2004. -С. 56-57.

31. Смольский С.М., Остапенков П.С. Цифровая обработка сигналов высокоточного радиолокационного измерителя сверхмалых перемещений. // Цифровая обработка сигналов и её применение: Докл. 6 Междунар. НТК -М., Инсвязьиздат, 2004. B.VI-2. С. 207-210.

32. Остапенков П.С. Блок цифровой обработки сигналов прецизионного дальномера СВЧ диапазона. // Радиоэлектроника,электротехника и энергетика: Тез. докл. 8 Междунар. НТК студентов и аспирантов. Т. 1. М., МЭИ, 2002. - С.61-62.

33. Ostapenkov P.S., Smolskiy S.M. High-Precision FMCW Short-Range Radar with Digital Signal Processing //110 Anniversary of Radio Invention: Proc. of St.Petersburg IEEE Chapters 2005. St.Petersburg, LETI, 2005. - C. 46-51.

34. Ostapenkov P.S., Smolskiy S.M. Digital signal processing in high-precision FM radar measuring instrument of extra-small displacement. // International Radar Symposium 2005: Proc. of IRS 2005. Germany. Berlin, DGON, 2005. - P.375-380.

35. Зенькович A.B. Искажения частотно-модулированных колебаний. M.: Сов. Радио, 1974.-296 с.

36. Белоглазов В.В., Бирюк Н.Д. Резонанс колебательного контура с периодически изменяющейся диссипацией // Вестник ВГУ серия физика, математика. - 2002. № 2. - С.5-10.

37. Рыжак И.С. Избранные вопросы теории цепей и обработки сигналов. М.: Блок-Информ-Экспресс, 2003. - 384 с.

38. Hunton R., Miller В. General-powered proximity fuze // Electronics. -1945. V.18. n.12. P.98-103.

39. Берштейн И.Л. Об одной схеме с автомодуляцией // Радиотехника. 1946. - Т. 1. № 9. - С. 63-67.

40. Коган И.М. Ближняя радиолокация (теоретические основы). М.: Сов. Радио, 1973.-272 с.

41. Виницкий А.С. Очерк основ радиолокации при непрерывном излучении радиоволн. М.: Сов. радио, 1961. -496 с.

42. Коган И.М., Тамарчак Д.Я., Хотунцев ЮЛ. Автодины // Итоги науки и техники Серия Радиотехника. - М.:ВИНИТИ, 1984. - С.3-175.

43. Коган И.М. Теоретические основы радиолокации на малых расстояниях // Итоги науки и техники Серия Радиотехника. - М.: ВИНИТИ, 1976.-С. 3-128.

44. Хотунцев IO.JI. Полупроводниковые СВЧ-устройства (анализ и синтез). -М.: Связь, 1979. 256 с.

45. Хотунцев 10.JI. Доплеровские автодины на полупроводниковых приборах: обзор // Изв.вузов СССР: Радиоэлектроника. 1979. -Т.22. №10. -С. 44-54.

46. Тамарчак Д.Я., Хотунцев IO.JI. Анализ коэффициента передачи и коэффициента шума автодина // Изв.вузов СССР: Радиоэлектроника. 1979. Т.22. №3. - С. 72-88.

47. Хотунцев IO.J1., Тамарчак Д.Я. Синхронизированные генераторы и автодины на полупроводниковых приборах. М.: Радио и связь, 1982. -240 с.

48. Смольский С.М., Соловьев М.А. Малосигнальная теория автодина с частотной модуляцией // Труды МЭИ. 1977. -В.317. - С. 18-24.

49. Богачёв В.М., Лысенко В.Г., Смольский С.М. Транзисторные генераторы и автодины. М.: Изд. МЭИ, 1993. - 344 с.

50. Богачёв В.М., Смольский С.М. Общие укороченные и характеристическое уравнения транзисторного автогенератора // Радиотехника. 1973. -Т.28.№3. - С. 51-59.

51. Богачёв В.М., Смольский С.М. Исследование автоколебательных систем методом укороченных уравнений. М.: МЭИ, 1980. - 88 с.

52. Богачёв В.М., Лысенко В.Г., Смольский С.М. К теории автодинов на инерционных активных элементах // Изв. Вузов СССР: Радиоэлектроника. -1976. -Т. 19. №5. -С.62-66.

53. Царькова Н.В. Динамические характеристики автодинов на диодах Ганна. Канд. диссертация. М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1988.

54. Туманов Б.Н., Бузыкнн В.Т. Особенности автоколебаний в автодинных генераторах СВЧ // Электронная техника Сер. 1, Электроника СВЧ.- 1983.-Вып. 2.-С. 3-9.

55. Алахов Е.К., Декин Г.Н., Терещенко А.Ф. Воздействие отраженного сигнала на автодин с диодом Ганна // Современная электроника в оптическом приборостроении. -1981. С.96-99.

56. Терещенко А.Ф. Оптимизация режима работы автодинов на диодах Ганна // Радиотехника. -1983. -Т.38. №4. С. 30-34.

57. Царапкин Д.П. Генераторы СВЧ на диодах Ганна. М.: Радио и связь, 1981.- 112с.

58. Царапкин Д.П., Козлова Е.П. Упрощенная математическая модель диода Ганна // Труды МЭИ. -1980. -Вып.464. -С.95-99.

59. Строганова Е.П. Асинхронные режимы автогенераторов на диодах Ганна. Дисс. канд. тех.наук. -М., 1982.

60. Разработка приемно-индикаторного устройства навигационной PJ1C ближнего действия // Отчёт о НИР. МЭИ. Руков. работы Комаров И.В. Гос. Per. №У 71238.-М.:МЭИ, 1991.

61. Разработка высокоточного радиолокационного измерителя уровня жидких и порошкообразных продуктов в закрытых резервуарах // Отчёт о НИР. МЭИ. Руков. работы Комаров И.В. Гос. Per. № 01950000901, -М.-.МЭИ, 1996.

62. Разработка прецизионного радиолокационного измерителя уровня жидкостей в закрытых резервуарах. Отчёт о НИР. МЭИ. Руков. работы -Комаров И.В. Гос. Per. № 01970005634, инв. № 02200001922, М.:МЭИ, 1999.

63. Смольский С.М. Радиолокационные системы ближнего действия на управляемых автогенераторах. Диссертация на соискание д.т.п. М., 1993.

64. Езерский В.В. Оптимизация алгоритмов формирования и обработки сигналов и методов повышения точности измерения расстояния частотным радиодальномером в промышленных системах ближней радиолокации. Диссертация на соискание д.т.н. Рязань, 2006.

65. I.V. Komarov, S.M. Smolskiy, Fundamentals of Short-Range FM Radar. Artech House Publishers; Norwood, MA, 2003. 378 p.

66. Бузыкин B.T., Воторопин С.Д., Носков В.Я. Исследование электронной проводимости диодов Ганна по автодинному эффекту // Современная технология производства СВЧ схем. Материалы семинара. -Минск, МРТИ, 1989. С.73-74.

67. Бузыкин В. Т., Воторопин С. Д., Носков В. Я., Клюев А. Ю. Автодины в микрополосковом исполнении // Современная технология производства СВЧ схем. Материалы семинара. -Минск, МРТИ, 1989. -С. 71-72.

68. Воторопин С.Д., Носков В.Я. и др. Автодинные СВЧ-датчики для бесконтактных измерений и контроля // СВЧ-техника и спутниковые телекоммуникационные технологии: 3-я Крымская конференция. Материалы конф. Севастополь., 1992. -С.159-164.

69. Воторопин С. Д., Носков В. Я., Зайцев О. И., Автодинный тахометр 5-и миллиметрового диапазона длин волн // V-я Крымская конференция СВЧ-техника и спутниковый приём. Севастополь., 1995. - С. 561-562.

70. Бузыкин В.Т., Воторопин С.Д., Носков В.Я. Автодины на слаботочных диодах Ганна // Малошумящие генераторы СВЧ. Состояние разработок и перспективы применения в метрологии. Тезисы докл. Всесоюзного совещания. Иркутск, НИИФТРИ, 1991. - С. 44-45.

71. Воторопин С.Д., Юрчаков В.П. Применение автодинных датчиков КВЧ диапазона в транспортной электронике // КрыМиКо'98: 8-я

72. Крымская Междунар. Микроволновая конф. Труды конф. Севастополь, 1998.-С. 617-619.

73. Воторопин С.Д., Носков В.Я. Сигналы автодинов КВЧ диапазона длин волн при контроле параметров подвижных объектов // Изв. ВУЗов.-Физика -2000. Томск, В.7. С. 54-60.

74. С.Д. Воторопин, В.И. Юрченко Автодинные датчики КВЧ диапазона на диодах Ганна. // Радиолокация, навигация, связь: Труды 10-й Междунар.НТК. Воронеж. 2004. -С. 389-395.

75. С.Д. Воторопин, В.И. Юрченко. Некоторые применения ГИС автодинов КВЧ диапазона в радиолокационных устройствах // Радиолокация, навигация, связь: Труды 10-й Междунар.НТК. Воронеж. 2004. -С. 358-364.

76. С.Д. Воторопин, В.Я. Носков. Анализ способов регистрации автодинного сигнала // КрыМиКо'2003: 11-я Крымская Междунар. Микроволновая конф. Труды конф. Севастополь, 2003. - С. 643-645.

77. Robert J. Fontana. Recent System Applications of Short-Pulse Ultra-Wideband (UWB) Technology // IEEE Tran. on Microwave theory and techniques -2004. Vol. 52. No.9. -P.2087-2104.

78. I. Gresham, A. Jenkins and others. Ultra-Wideband Radar Sensors for Short-Range Vehicular Applications //IEEE Tran. on Microwave theory and techniques. -2004. Vol. 52. No.9. -P. 2105-2122.

79. E. Moldovan, S. Tatu and others. A New 94-GHz Six-Port Collision-Avoidance Radar Sensor. IEEE Tran. on Microwave theory and techniques. -2004. Vol. 52. No.3.-P. 751-767.

80. G. Brooker, D. Birch and others. W-Band Airborne Interrupted Frequency Modulated CW Imaging Radar // IEEE Tran. on Aerospace and Electronic systems. 2005. Vol. 41. No.3. -P. 955-972.

81. Капранов M.B., Кулешов B.H., Уткин Г.М. Теория колебаний в радиотехнике. -М.: Наука, 1984. 320 с.

82. Мандельштам JI.И. Лекции по теории колебаний. -М.: Наука, 1972.-472 с.

83. Боголюбов Н.Н., Митропольский Ю.А. Асимптотические методы в теории нелинейных колебаний. -М.: Наука, 1974. 408 с.

84. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. -М.: МИР, 1978. 848 с.

85. Гольденберг Л.М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. Цифровая обработка сигналов. М.: Радио и связь, 1990. 256 с.

86. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: Гос. изд. тех.-теор. лит-ры, 1957. 608 с.

87. Свистов В.М. Радиолокационные сигналы и их обработка. М.: Сов.радио, 1977.-448 с.

88. Васильев В.Н., Гуров И.П. Компьютерная обработка сигналов в приложении к интерферометрическим системам. СПб.: БХВ-Санкт-Петербург, 1998.-238 с.

89. Бохвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М.: Лаборатория базовых знаний, 2000. 632 с.

90. Стешенко В.Б. ПЛИС фирмы ALTERA: проектирование цифровых устройств обработки сигналов. М.: ДОДЭКА, 2000. 125 с.

91. Антонов А.П. Язык описания цифровых устройств AlteraHDL. М.: Радиософт, 2002. 222 с.

92. Уэйкерли Дж.Ф. Проектирование цифровых устройств. В 2-х т. М.: Постмаркет, 2002. 1088 с.

93. Раушер К., Йанссен Ф. и др. Основы спектрального анализа. М.: Горячая линия Телеком, 2006 г. - 322 с.

94. Гребенко Ю.А., Лукин В.Н. Фазовые дискриминаторы с• линейными дискриминационными характеристиками // Радиотехника. -1986.8. -С. 17-19.

95. Алексеев Ю.И. Устойчивость автодинных асинхронных СВЧ-систем // Радиотехника. -1994. № 3. -С. 36-38.

96. Пестряков А.В. Интегральные схемы для устройств синтеза и стабилизации частот // ChipNews. -1996. № 2. С. 22-26.

97. Стешенко В.Б. ПЛИС фирмы ALTERA: элементная база, система проектирования и языки описания аппаратуры. М.: Додэка-ХХ1, 2002 г.f -573 с.

98. Алексеев Ю.И., С.В. Ежов, А.П. Суховеев. Широкодиапазонный ганновский автогенератор // Радиотехника. -2001 №12. С.97-98.

99. Алексеев Ю.И. Автодинный частотный преобразователь миллиметрового диапазона //Радиотехника. -2003. № 2. -С.76-78.1. GI-06-S /ъъъъ ^