Цифровой метод реализации задержки отраженного сигнала в комплексе полунатурного моделирования работы импульсных СБРЛ

П ри проектировании автоматизированных комплексов полу-натурного моделирования (АКПНМ) работы систем ближней радиолокации (СБРЛ) в имитаторах отраженного сигнала, моделирующих задержку зондирующего сигнала на трассе его прохождения до объекта локации и обратно, широко используются линии задержки, реализуемые с помощью отрезков кабелей и волноводов [1].

При всей простоте и очевидности аппаратурного решения такие линии задержки обладают определенными недостатками. Они имеют ощутимые габариты и массу, кроме того, используемые в них СВЧ-переключатели, компенсирующие потери усилителей, значительно увеличивают стоимость подобных линий задержки.

Вместе с тем существуют реальные возможности разработки устройств управляемой линии задержки с использованием методов цифровой обработки информации, свободных от отмеченных недостатков.

Наиболее просто задача построения управляемой цифровой линии задержки (ЦЛЗ) решается применительно к аппаратуре моделирования и испытаний импульсных СБРЛ.

В этом случае моделирование необходимой задержки отраженного сигнала и изменение длительности входного импульса в имитаторе работы импульсных СБРЛ осуществляется с помощью СВЧ-генератора и программноаппаратного модуля, формирующего модулирующую функцию импульсного сигнала [2].

Структурная схема программно-аппаратного модуля, реализующего цифровую линию задержки, приведена на рис. 1 .

Массив данных, сформированный в математической модели, передается в память устройства через USB-порт.

• ¹    – ФГУП «НПП «Дельта», г. Москва, заместитель директора по науке; ² – ФГУП «НПП «Дельта», г. Москва, начальник отдела

• ³    - ФГУП «НПП «Дельта», ведущий инженер; ⁴ – ФГУП «НПП «Дельта», старший научный сотрудник;

• ⁵    – ГП НИИ «Орион», г. Киев, начальник лаборатории.

  
  
  

Рис. 1. Структурная схема программно-аппаратного модуля, реализующего управляемую задержку

Тактирование выдаваемых данных производится либо внутренним, либо внешним тактовым генератором, при этом тактовый генератор может работать как независимо, так и с синхронизацией от внешнего генератора импульсов.

Для моделирования отраженного импульса введено устройство независимой программной установки длительностей и задержки формируемых импульсов относительно момента прихода синхронизирующего импульса (зондирующего импульса СБРЛ).

Основные функции устройства реализованы на основе ПЛИС XC2S200-PQ208C фирмы XLINX и микроконтроллера ATmega8535.

Пришедшие через USB-порт от ПЭВМ данные записываются в память устройства (статическое ОЗУ на микросхемах CY71061AV33 объемом 8 Мб). Для тактирования формирователя импульсов используется тактовый генератор с частотой 100 МГц.

Основной подмодуль устройства, реализованный на микросхеме ПЛИС XC2S200 6PQ208C, обеспечивает:

• ♦    прямой доступ к памяти и вывод информации;

• ♦    управление остановом;

• ♦    управление синхронизацией;

• ♦    задание параметров импульсного сигнала.

Для обеспечения согласования с 50-омными кабельными входами внешних приборов, управляемых от PG-2008, в схему включены буферные устройства, собранные на микросхемах 74АС14D и SN65LVDS1. Выходные регистры построены на 16 м/с 74АСТ573.

Для расширения возможностей модуля предусмотрен дополнительный Pattern-генератор (виртуальный генератор) произвольного импульсного сигнала, который может использоваться в структуре АКПНМ для формирования импульсных помех, воздействующих на СБРЛ. При этом для формирования импульсных псевдослучайных последовательностей максимальной длины используется весь объем внешней памяти (8 Мб). Тактирование Pattern-генератора производится программируемым тактовым генератором с частотой 1…60 МГц (м/с AD9859YSV). Функции Pattern-генератора реализованы на ПЛИС XC2S200-6PQ208C.

В модуле дополнительно предусмотрен также вход для подключения внешнего генератора коротких импульсов (менее 10 нс) и управляемая 64-разрядная схема цифрового ввода-вывода для включения и выключения релейных устройств имитатора.

На фото 1 приведено разработанное устройство формирователя модулирующих функций импульсных сигналов. Формирование задержанного импульса требуемой длительности с помощью разработанного устройства производится следующим образом. Весь объем памяти устройства разбивается на подмассивы. Последовательность подмассивов соответствует последовательности тактов синхронизирующих (зондирующих) импульсов. Соответственно временное расположение импульса в пределах такта (или задержка импульса) определяется расположением «1» в переделах двоичного числа, определяющего числовое значение массива. Например, 10000000, 01000000 , 00100000 - три последовательных массива, определяющих три последовательных такта «движущегося» по оси времени импульса. Число последовательных «1» в пределах подмассива пропорционально длительности формируемого задержанного импульса. Абсолютное значение длительности определяется частотой внутреннего тактового генератора, который считывает сформированные массивы.

В реальном масштабе времени устройство работает следующим образом. В момент прихода синхронизирующего импульса (зондируюший импульс СБРЛ) внутренний тактовый генератор считывает значение массива и синхронизирующим импульсом запускается программируемый счетчик тактов внутреннего тактового генератора. Следующим синхронизирующим импульсом счетчик увеличивается на длину подмассива, и тем самым внутренним тактовым генератором считывается следующий

Фото 1. Формирователь модулирующих функций импульсных сигналов

са (зондируюшего импульса) может быть выставлена программным путем с шагом 10 нс.

Минимальная задержка выдаваемого импульса относительно пришедшего зондирующего определяется техническими характеристиками используемой ПЛИС, внутренней программной организацией ПЛИС, расположением и характеристиками обрамляющих микросхем на печатной плате. В реализованном устройстве эта задержка составляет 25...30 нс. Фронт формируемого импульса в данном устройстве, как это следует из фото 2 , равен 2...5 нс.

На фото 3 в качестве примера приведены осциллограммы, полученные с помощью устройства модулирующих функций импульсного отраженного сигнала. Показаны три последовательных временных положения импульса при моделировании приближения СБРЛ к объекту локации.

Оценку требуемого объема памяти для реализации устройства цифровой управляемой задержки, моделирующего импульсный отраженный сигнал, можно произвести следующим образом.

При максимальной моделируемой дальности D_max и погрешности моделирования дальности ΔD в каждом подмассиве необходимо иметь N₁ = D_max /ΔD бит. Число повторяющихся периодов n (то есть периодов T_повт с одинаковой задержкой отраженного импульса) также определяется погрешностью оценки дальности и может быть вычислено исходя из равенства:

n T повт V отн = ΔD , (1)

Фото 2. Вид фронтов отраженного импульса при установке развертки осциллографа 10 нс/клетка

где V_отн – скорость движения СБРЛ относительно объекта локации.

При этом число подмассивов оценивается по формуле:

подмассив. Разбиение на подмассивы и установки счетчика производятся программным путем до начала проведения эксперимента.

В целях повышения помехозащищенности в импульсных СБРЛ используют вобуляцию периода следования зондирующих импульсов. Для формирования отраженных импульсов в этом случае предусмотрено следующее: разделены функции перебора массивов и их выдачи при приходе синхронизирующих (зондирующих) импульсов. Таким об- разом, последовательный перебор массивов производится дополнительным тактовым генератором с жестко постоянным периодом. При приходе очередного синхроимпульса (зондирующего импульса) выдается тот подмассив, который в этот момент сформирован.

При тактовой частоте внутреннего тактового генератора 100 МГц минимальная длительность выдаваемого импульса равна 10 нс, т.е. задержка моделируемого отраженного импульса относительно синхроимпуль-

N2=t max /(n

) = (D max /V отн )/(nT повт ) , (2)

Tповт

где: t_max –время движения СБРЛ до дальности D_max .

Из выражений (1) и (2) получаем количество подмассивов N2 = D_max /ΔD .

Общий объем памяти определяется произведением N1 и N2 и равен (D max /ΔD)2 бит.

Например, при моделировании работы импульсных СБРЛ на дальностях 100…1 м с погрешностью 0,2 м общий

Фото 3. Три фазы перемещения импульса, имитирующего отраженный сигнал

объем памяти может быть не более 250 кбит.

Для уменьшения начальной задержки и соответственно уменьшения моделируемой дальности до значений долей и единиц метров необходимо использовать более быстродействующие ПЛИС. Эти ПЛИС к тому же имеют внутреннюю память большего объема, что при реализации модуля задержек позволит отказаться от внешней памяти и также улучшить характеристики быстродействия. Например, ПЛИС XC3S400-5PQ20-8C, имеющая ОЗУ 256 кбит, может работать от тактового генератора частотой 200...250 МГц, что обеспечит шаг задержки 4 - 5 нс и начальную задержку менее 10 - 15 нс.

Результаты исследований, изложенные в настоящей статье, получены в процессе выполнения НИР «Изучение радиофизических процессов формирования селективных признаков отражающих объектов в системах ближней радиолокации», поддержанной Российским фондом фундаментальных исследований в 2007 г. при проведении конкурса инициативных проектов (Соглашение № 07-1021/22).