Применение монобитной цифровой технологии обработки радиосигналов в широкодиапазонных радиоэлектронных системах

Логика развития современного информационного общества определяет тенденцию постоянного роста требований по расширению рабочих частотных диапазонов, выполняемых функций, увеличения точности и повышения быстродействия аппаратуры радиоэлектронных средств радиолокации, радионавигации и радиосвязи, с одновременным уменьшением их габаритов, энергопотребления и стоимости.

Так, например, за последние 5 лет требования к ширине рабочего частотного диапазона радиоэлектронных систем (РЭС) возросли в несколько раз. Стандартный рабочий диапазон частот 4–18 ГГц ранее обслуживался как минимум тремя комплектами (литерами) радиоэлектронной аппаратуры. В настоящее время его необходимо обслуживать одним литером аппаратуры с улучшенными техническими и массогабаритными характеристиками.

Классические приемы расширения диапазона частот РЭС путем совершенствования СВЧ-узлов приемников радиосигналов, наращивания рабочей полосы каналов СВЧ-приемников и увеличения их числа исчерпали себя и не могут обеспечить требуемое расширение рабочего диапазона частот.

Например, матричный способ организации приема радиосигналов в широком диапазоне частот практически не работоспособен при расширении полосы каналов свыше 1–2 ГГц из-за резкого возрастания числа обрабатываемых радиосигналов и искажений частотных характеристик каналов [1].

На сегодняшнем этапе развития радиоэлектроники существенного расширения частотного диапазона РЭС с одновременным улучшением их технических и массогабаритных характеристик можно достичь путем использования цифровых технологий обработки радиосигналов.

Цифровые технологии обработки радиосигналов позволяют избавиться от многих пороков аналоговых приемников РЭС с одновременным расширением их рабочей полосы и уменьшением габаритов.

В настоящей статье анализируется возможность создания широкодиапазонных цифровых устройств на основе монобитного цифрового аналого-цифрового преобразования сигналов.

• 1.    Анализ существующих способов расширения частотного диапазона цифровых устройств РЭС

На рис. 1 систематизированы существующие и перспективные способы цифровой обработки радиосигналов, которые потенциально могут быть использованы для создания широкополосных цифровых устройств.

Рис. 1. Способы обработки СВЧ-радиосигналов в широком частотном диапазоне

На сегодняшний день широко используется «квадратурный» способ цифровой обработки сигналов, основанный на предварительном смещении спектра частот в «нулевую» область, выделения квадратурных составляющих сигналов с последующим их аналого-цифровым преобразованием (АЦП).

Впечатляющие успехи в области телекоммуникаций и радиосвязи во многом обязаны этому способу. Этим объясняются широкие возможности по его технической реализации на специально разработанной элементной базе.

Вместе с тем использование только квадратурного способа обработки радиосигналов для кардинального расширения частотного диапазона требует увеличения тактовых частот цифровых узлов (АЦП, ПЛИС, ЦАП) до нескольких десятков тысяч мегагерц.

Так, например, для обработки сигналов в полосе 2 ГГц квадратурным способом необходима тактовая частота цифровых устройств в 2,5 ГГц. В РЭС требуемая полоса достигает десятков гигагерц. Поэтому, несмотря на достоинства квадратурного способа, он может использоваться в перспективных РЭС только в совокупности с другими способами.

Вместе с тем, с появлением на рынке широкополосных квадратурных СВЧ-демодуляторов, способных функционировать на частотах до 18–20 ГГц, ситуация изменится и данный способ будет самостоятельно использоваться для широкополосной ЦОС.

Второй способ носит инновационный характер. Он основан на бурно развивающемся направлении обработки сигналов – «радиофотонике». В данном способе обрабатываемые радиосигналы предварительно переносятся в область оптических частот и преобразуются в поток цифровых слов с частотами до 100 000 МГц. Однако для его практического применения необходимо решить ряд проблем.

Во-первых, при радиофотонном способе обработки радиосигнал преобразуется в высокоскоростной цифровой поток, частота следования импульсов в котором доходит до 50–100 ГГц. Сегодня не существует цифровых устройств, способных обрабатывать такие скоростные цифровые потоки. Перспективы решения данной задачи туманны и требуют привлечения для этих целей новых физических принципов и идей.

Во-вторых, до инженерного воплощения в виде элементной базы радиофотонных АЦП и т. п. очень далеко. А без такого инженерного воплощения идей бесполезно обсуждать перспективы применения их в РЭС.

Следующие способы широкодиапазонной цифровой обработки радиосигналов основаны на непосредственном преобразовании радиоколебаний в скоростной поток цифровых отсчетов.

Заслуживают внимание два способа, позволяющие потенциально расширить частотный диапазон РЭС.

Первый способ основан на прямом преобразовании радиосигнала многоразрядными скоростными АЦП с последующей обработкой цифрового потока скоростными ПЛИС по типовым алгоритмам.

Если при этом АЦП использует только первую зону Найквиста (частота сигнала f c <  (0,4 - 0,45) f _т), то полоса частот обрабатываемых радиосигналов будет не больше, чем в классическом квадратурном методе.

Однако если использовать многоразрядные АЦП, способные обрабатывать радиосигналы во 2-й, 3-й и т. д. зонах Найквиста (частота сигнала f c <  к ( f _т /2), к - номер зоны Найквиста), то возможно расширение полосы обрабатываемых сигналов в k раз.

Например, при к = 3 и к = 4 можно достичь диапазона частот обработки радиосигналов до 10 000 МГц.

Использование зон Найквиста при к >  1 порождает неоднозначности определения частотных составляющих спектра обрабатываемого сигнала. В этом случае радиосигналы, принятые в широком диапазоне частот шириной k ( f _т /2) , «сворачиваются» в более узкий диапазон частот шириной 0,9( f _т /2) . Это обстоятельство порождает ряд проблем, требующих для решения привлечения дополнительных способов.

Во-первых, чтобы «восстановить» истинную информацию о частотах спектральных составляющих радиосигнала приходится использовать несколько АЦП с разными тактовыми частотами. При этом возрастают массогабаритные характеристики, сложность и стоимость устройства, возникают дополнительные ошибки.

Во-вторых, «свертка» большого числа сигналов из широкого частотного диапазона в узкий диапазон частот неизбежно порождает взаимные помехи, которые не только ухудшают качество обработки сигналов, но и существенно увеличивают время, необходимое для устранения «неоднозначности», что создает проблемы при обработке импульсных радиосигналов с изменяющейся частотой от импульса к импульсу. В диапазоне 1–18 ГГц работает много РЭС, и наличие большого числа радиосигналов является обыденным явлением.

Второй способ [2–12] основан на применении высокоскоростных однобитных (монобитных) АЦП, известных как «компараторы» сигналов.

Заманчиво использовать монобитное преобразование радиосигналов, так как при этом:

• -    в качестве АЦП можно использовать давно известные «компараторы» сигналов, в которых тактовая частота достигает > 40 000 МГц и они способны преобразовывать радиосигналы в цифровые отсчеты в первой зоне Найквиста с несущей частотой до 20 000 МГц, где отсутствует неоднозначность по частоте; ВЧ-компараторы могут работать также и в зонах Найквиста высоких порядков;

• -    монобитные цифровые потоки имеют возможность работать с ПЛИС, сигнальными процессорами и т. п. с невысокими тактовыми частотами, так как существуют надежные и недорогие микросхемы – демультиплексоры, преобразующие высокоскоростной цифровой поток в совокупность субпотоков (фаз) с меньшей частотой. Кроме того, монобитный поток цифровых отсчетов имеет меньшую интенсивность, чем многоразрядные потоки.

• -    алгоритмы обработки монобитного цифрового потока сильно упрощаются и ускоряются, так как многие операции типа умножения, деления, сложения вырождаются в стандартные логические операции.

• 2.    Монобитная цифровая технология обработки радиосигналов

Вместе с тем, переход от многоразрядных АЦП к монобитным АЦП ведет к частичной потере информации о радиосигнале, что может ухудшить качество обработки радиосигналов. Поэтому отметим, что переход к монобитным АЦП, по существу означает обработку радиосигналов, жестко ограниченных по амплитуде.

Особенности обработки ограниченных по амплитуде радиосигналов подробно изучены. Показано, что в ряде случаев ограничение сигналов по амплитуде не вносит больших искажений. В частности, получили известность и широко применяются схемы ШОУ – широкополос- ное ограничение радиосигналов по амплитуде + узкополосная фильтрация ограниченных радиосигналов [13].

Суммируя сказанное, можно сделать вывод: монобитное аналого-цифровое преобразование радиосигналов является удобным, доступным и недорогим инструментом при создании цифровых устройств обработки радиосигналов в широком диапазоне частот (до 20 000 МГц) для перспективных широкодиапазонных РЭС.

На рис. 2 приведена схема типового монобитного цифрового устройства обработки радиосигналов [3, 4].

Высокочастотный

Монобитные субпотоки (фазы)

Рис. 2. Монобитная цифровая технология обработки радиосигналов

Типовое монобитное устройство состоит:

• -    из входного широкополосного усилителя-ограничителя;

• -    высокочастотного компаратора сигналов и тактового генератора, которые осуществляют дискретизацию ограниченного по амплитуде входного сигнала по времени и формируют высокочастотный монобитный поток его отсчетов;

• -    демультиплексора – цифрового высокоскоростного устройства, осуществляющего разделение высокоскоростного потока монобитных отсчетов на совокупность синхронных субпотоков (фаз) отсчетов с меньшей частотой повторения для согласования с пропускной способностью портов ПЛИС;

• -    типового обнаружителя радиосигналов, формирующего сигнал обнаружения при превышении амплитуды сигнала заданного порога;

• -    программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), осуществляющей обработку поступающих цифровых потоков с целью измерения и анализа параметров радиосигналов по специальным алгоритмам.

ПЛИС монобитной ЦОС могут программироваться для реализации монобитного цифрового алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ), предназначенного для проведения спектрального анализа в рабочей полосе устройства «порции» (отрезка) входного сигнала заданной длины [5].

На основе спектрального анализа радиосигнала можно быстро определить его частоту и комплексную амплитуду сигнальной составляющей спектра. Монобитный алгоритм БПФ является упрощенной версией типового алгоритма БПФ. Из-за этого в полученном спектре помимо полезных сигнальных составляющих присутствуют паразитные составляющие. Для выделения полез- ных сигнальных составляющих спектра используют известное свойство, согласно которому в спектре ограниченного радиосигнала составляющая с максимально возможной амплитудой u0 соответствует положению радиосигнала с максимальной амплитудой. Поэтому отсутствие в спектре составляющей с амплитудой близкой к u0 свидетельствует об отсутствии в анализируемой «порции» полезного сигнала. Этот факт можно использовать для реализации обнаружителя радиосигналов.

Если в анализируемой «порции» присутствуют два радиосигнала с различными амплитудами (отличающимися более чем на 6 дБ), то будет обнаружен и измерен только «сильный» сигнал. При обработке радиосигналов в виде «пачек» радиоимпульсов этот недостаток компенсируется возможностью обнаружения «слабого» сигнала при анализе других «порций».

На рис. 3 проиллюстрированы особенности спектрограмм монобитного БПФ одной «порции» радиосигнала.

На рис. 4 приведена спектрограмма М-БПФ «порции» радиосигнала длительностью 100 нс на несущей частоте 2679 МГц, полученная моделированием на ЭВМ.

Рис. 4. Спектрограммы М-БПФ

Из рис. 3, 4 следует, что, сравнивая амплитуды спектральных составляющих с заданным порогом обнаружения, можно:

• -    обнаружить сигналы на фоне шумов приемника (а - нет сигнала, б, в - сигнал есть);

• -    определить составляющие комплексной амплитуды спектральной составляющей на частоте мощного радиосигнала, необходимые для измерения его частоты и фазы;

• -    измерить разности фаз двух радиосигналов одной частоты путем определения их комплексных амплитуд по монобитному алгоритму БПФ и вычислить по ним разности фаз.

Выводы

• 1.    Монобитную технологию обработки радиосигналов прежде всего целесообразно применять в широкодиапазонных РЭС для быстрого обнаружения радиосигналов, быстрого, но достаточно грубого определения их несущих частот, разностей фаз радиоимпульсов РЭС. Эта информация может быть использована для последующего наведения на частоты обнаруженных РЭС узкополосных устройств обработки информации.

• 2.    Применение монобитной технологии обработки радиосигналов позволяет расширить рабочий диапазон частот РЭС и уменьшить их габариты за счет расширения полосы частот и числа каналов многоканального приемника.