PL222010B1 - Sposób i układ syntezy sygnału radiolokacyjnego z nieliniową modulacją częstotliwości - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ syntezy sygnału radiolokacyjnego z nieliniową modulacją częstotliwości znajdujący zastosowanie w systemach radiolokacyjnych.

System formowania strefy wykrywania radaru trójwspółrzędnego wykorzystuje impulsy sondujące złożone z subimpulsów z liniową modulacją częstotliwości LFM+, LFM- oraz z nieliniową modulacją częstotliwości NLFM+, NLFM-. Liczba subimpulsów zależy od rodzaju i typu pracy radaru i może wynosić na przykład dla konkretnego radaru od 1 do 4. Z radarem emitującym sygnał złożony związana jest trudność separacji częstotliwości widm poszczególnych subimpulsów. Wzajemne przenikanie sąsiadujących widm może prowadzić do detekcji sygnału zakłócającego w sygnale użytecznym, co bezpośrednio przekłada się na otrzymanie fałszywych wykryć.

Z opracowania Merrill I. Skolnik „Radar Handbook” Second edition z 1990 r. powszechnie znana jest metoda generowania sygnału radiolokacyjnego z nieliniową modulacją częstotliwości, która opiera się na rozwinięciu funkcji modulującej w szereg Taylora siódmego rzędu. W wyniku filtracji dopasowanej tak otrzymanego sygnału uzyskiwane są listki boczne na poziomie -40 dB.

Z literatury fachowej C. Leśnik „Nonlinear Frequency Modulated Signal Design” Acta Physica Polonica A, Vol. 116 z 2009, znane jest opracowanie teoretyczne metody syntezy sygnału radiolokacyjnego z nieliniową modulacją częstotliwości oparte na transformacie Żaka. Ze względów praktycznych, w szczególności z powodu zbyt szerokiego widma sygnału, metoda ta nie znalazła zastosowania w rzeczywistym systemie radiolokacyjnym.

Z kolei w książce N. Levanon, E. Mozeson „Radar Signals” John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, z 2004 r. przedstawiono sposób syntezy nieliniowej funkcji modulującej opartej na metodzie stacjonarnej fazy, w której wykorzystywano przybliżenie fazy trój elementowym szeregiem Taylora.

Ponadto, znany jest np. z amerykańskiego opisu patentowego nr US 7 880 672 układ i sposób syntezy sygnału z nieliniową modulacją częstotliwości, który opiera się na rozwinięciu fazy sygnału w szereg N-tego rzędu, przy czym dla N = 2 otrzymywany jest sygnał z liniową modulacją częstotliwości. Układ syntezy złożony jest z N kaskadowo połączonych integratorów. Na wyjściu N-tego integratora wyznaczony jest argument sygnału z nieliniową modulacją (N > 2).

Z kolei patent amerykański nr US 5 313 214 przedstawia układ i sposób syntezy sygnału z nieliniową modulacją częstotliwości powstałego w wyniku kombinacji liniowej wielu funkcji zbliżonych kształtem do funkcji tangens lub wielomianów nieparzystego rzędu. Funkcje dobierane są w celu maksymalizacji współczynnika kompresji i minimalizacji poziomu czasowych listków bocznych. Sposób składa się z co najmniej trzech etapów, przy czym w pierwszym kroku generowane są co najmniej dwie funkcje, w drugim kroku funkcje są skalowane, a w trzecim kroku realizowana jest kombinacja liniowa funkcji.

Celem niniejszego wynalazku jest opracowanie sposobu i układu syntezy sygnału złożonego z nieliniową modulacją częstotliwości o znacznie lepszych właściwościach korelacyjnych niż istniejące w znanych sposobach, a także ograniczenie względnych błędów obliczeń.

Zgodnie z wynalazkiem, sposób syntezy sygnału radiolokacyjnego z nieliniową modulacją częstotliwości wykorzystuje właściwości energetyczne sygnałów o skończonej energii i transformowalnych w sensie Fouriera oraz izomorfizm sygnałów w przestrzeniach liniowych czasu i częstotliwości, o widmie zdefiniowanym za pomocą funkcji okien czasowych, zawierający etap wyboru parametrów sygnału wzorcowego i charakteryzuje się tym, że na początku określa się widmo gęstości mocy impulsu sondującego o kształcie kwadratu okna czasowego rozpatrywanego w dziedzinie częstotliwości. Następnie, wyznacza się energię sygnału w dziedzinie czasu oraz określa się energię sygnału w dziedzinie częstotliwości. W dalszej części porównuje się energię sygnału impulsu sondującego wyrażoną w dziedzinie częstotliwości z energią tego sygnału wyrażoną w dziedzinie czasu, a z porównania energii wyznacza się odwrotność nieliniowej funkcji modulującej. Następnie, stosując odwzorowanie odwrotne wyznacza się nieliniową funkcję modulującą, która steruje pracą układu bezpośredniej syntezy cyfrowej generując cyfrowy sygnał radiolokacyjny. W dalszym etapie cyfrowy sygnał radiolokacyjny jest przekształcany do postaci analogowej. Na końcu analogowy sygnał radiolokacyjny jest mieszany z sygnałem heterodyny przesuwając widmo sygnału z nieliniową modulacją częstotliwości do zadanej częstotliwości nośnej. Wzorcowe widmo gęstości mocy wybiera się ze zbioru próbek widm gęstości mocy zdefiniowanych dla różnych funkcji okien.

Sposób wykorzystuje właściwości korelacyjne funkcji okna czasowego Kaisera, Hanna, Hamminga albo Blackmana.

PL 222 010 B1

Układ syntezy sygnału radiolokacyjnego z nieliniową modulacją częstotliwości zawiera źródło sygnału wzorcowego, moduł pamięci nieulotnej, blok obliczeniowy, blok przetwarzania danych, układ konwertera cyfrowo-analogowego oraz układ mieszacza z heterodyną i charakteryzuje się tym, że źródło sygnału wzorcowego zawiera pierwszą pamięć nieulotną, w której znajdują się w postaci stablicowanej wartości widma gęstości mocy. Na pierwsze wejście sterujące źródła sygnału wzorcowego jest doprowadzony sygnał sterujący zawierający informację o numerze funkcji okna, a na drugie wejście sterujące jest doprowadzony sygnał z licznika układu zliczającego. Na pierwsze wejście sterujące układu zliczającego jest podawany impuls inicjujący pracę układu zliczającego, a na drugie wejście sterujące układu zliczającego jest doprowadzony pierwszy sygnał zegarowy. Pierwsza pamięć nieulotna jest połączona z układem integratora. Wyjście integratora jest doprowadzone do układu obliczeniowego. Na wejście sterujące pracą integratora jest doprowadzony pierwszy sygnał zegarowy. Układ obliczeniowy zawiera drugą pamięć nieulotną. Wyjście układu obliczeniowego jest połączone z wejściem układu przetwarzającego dane, który zawiera blok bezpośredniej syntezy cyfrowej. Na pierwsze wejście sterujące układu przetwarzającego dane jest doprowadzony drugi sygnał zegarowy. Na drugie wejście sterujące układu przetwarzającego dane jest wprowadzony impuls synchronizujący. Wyjście układu przetwarzającego dane jest połączone z wejściem układu konwertera, zawierającego przetwornik cyfrowo-analogowy. Wyjście konwertera jest wprowadzone na pierwsze wejście mieszacza, natomiast drugie wejście mieszacza jest połączone z wyjściem heterodyny. Na wejście sterujące pracą heterodyny jest doprowadzony pierwszy sygnał zegarowy, natomiast radiolokacyjny sygnał złożony z nieliniową modulacją częstotliwości jest generowany na wyjściu mieszacza. Wzorcowe widmo gęstości mocy jest zapisane w postaci tablicy w pierwszej pamięci nieulotnej, przechowującej próbki widm gęstości mocy zdefiniowane dla różnych funkcji okien. Wyznaczanie funkcji odwrotnej jest realizowane poprzez adresowanie pamięci nieulotnej w której przechowuje się stablicowane wartości wielomianu interpolacyjnego.

Odwzorowanie odwrotne wykorzystuje korzystnie interpolację wielomianową Lagrange'a, szczególnie korzystnie siódmego rzędu. Pierwsza pamięć nieulotną i druga pamięć nieulotną mogą znajdować się we wspólnej przestrzeni adresowej.

Przedmiot wynalazku zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania uwidocznionym na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy syntezy sygnału z nieliniową modulacją częstotliwości, fig. 2 - odwrotność nieliniowej funkcji modulującej dla dewiacji częstotliwości równej B = 8 MHz, współczynnika kształtu okna Kaizera K = 0,7 oraz czasu trwania subimpulsu T = 100 μs, fig. 3 nieliniową funkcję modulującą, a fig. 4 - skompresowany sygnał z nieliniową modulacją częstotliwości.

Sposób syntezy radiolokacyjnego sygnału złożonego z nieliniową modulacją częstotliwości NLFM polega na tym, że w pierwszym etapie pobiera się ze źródła wzorcowego wartość kwadratu widma gęstości mocy pożądanego impulsu sondującego o amplitudzie A, fazie Φ(0 i czasie trwania T, o postaci:

_ M ε/ ^φ(ί) dla |t| < T/2 ^SW\ 0dla\t\>T/2

Następnie, określa się energię impulsu s(t) w dziedzinie czasu jako:

t

P = $ s(t) · s*(r) J c/τ = A²t dla |t| <T/2

-T/7.

Na podstawie twierdzenia Parsevala energię subimpulsu określa się w dziedzinie częstotliwości jako równą:

t

P= II s(O s*(O dla |/| < B/2 -B/2 gdzie B oznacza dewiację sygnału.

PL 222 010 B1

Jako widmo sygnału s(t) równego F[s(t)] = S(f) przyjmuje się funkcję okna czasowego o postaci okna Kaisera, którą rozpatruje się w dziedzinie częstotliwości. Następnie, porównuje się energię subimpulsu w przestrzeniach liniowych czasu i częstotliwości poprzez rozwiązanie niejednorodnego równania całkowego, otrzymując funkcję, jak przedstawiono na fig. 2. W dalszej kolejności wykorzystując interpolację wielomianową Lagrange'a, siódmego rzędu wyznacza się nieliniową funkcję modulującą, jak przedstawiono na fig. 3. Następnie, tak wyznaczoną funkcją modulującą steruje się układ bezpośredniej syntezy cyfrowej DDS, który generuje cyfrowy sygnał z nieliniową modulacją częstotliwości o zadanych parametrach.

Na koniec, przetwarza się sygnał cyfrowy do postaci analogowej i przesuwa się na częstotliwość nośną heterodyny w układzie mieszacza. Funkcja autokorelacji tak uzyskanego sygnału posiada dalekie listki boczne na poziomie bliskim -80 dB, które przedstawiono na fig. 4. Uzyskana rozróżnialność odległościowa, mierzona na poziomie -4 dB, jest równa 60 ns. Bliskie listki boczne skompresowanego impulsu występują na poziomie -55 dB.

Układ według wynalazku posiada źródło sygnału wzorcowego 1, które zawiera pierwszą pamięć nieulotną ROM1. Pamięć ROM1 przechowuje w postaci stablicowanych wartości widma gęstości mocy zdefiniowane dla wielu różnych funkcji okien. Na pierwsze wejście sterujące układu wzorca 1 jest doprowadzony sygnał sterujący WNB zawierający informację o numerze funkcji okna. Na drugie wejście sterujące układu 1 jest doprowadzony sygnał sterujący COUNT. Sygnał sterujący COUNT jest sygnałem wyjściowym układu zliczającego 2. Na pierwsze wejście sterujące układu zliczającego 2 jest doprowadzony sygnał sterujący INIT1 w postaci impulsu inicjującego pracę układu 2. Na drugie wejście sterujące układu zliczającego 2 jest doprowadzony pierwszy sygnał zegarowy CLK w postaci prostokątnego impulsu o częstotliwości 10 MHz. Układ pamięci nieulotnej 1 jest połączony z układem integratora 3, którego wyjście jest doprowadzone do układu obliczeniowego 4. Na wejście sterujące pracą integratora 3 jest doprowadzony pierwszy sygnał zegarowy CLK. Układ obliczeniowy 4 zawiera drugą pamięć nieulotną ROM2, a jego wyjście jest połączone z wejściem układu przetwarzającego dane 5 zawierającego blok bezpośredniej syntezy cyfrowej DDS. Na pierwsze wejście sterujące układu przetwarzającego dane 5 jest doprowadzony drugi sygnał zegarowy CLKSYS w postaci impulsu taktującego o częstotliwości 280 MHz. Na drugie wejście sterujące układu 5 jest wprowadzony impuls synchronizujący PR1. Wyjście układu 5 jest połączone z wejściem konwertera sygnału 6, zawierającego przetwornik cyfrowo-analogowy DC/AC. Wyjście konwertera 6 jest wprowadzone na pierwsze wejście mieszacza 7. Drugie wejście mieszacza 7 jest połączone z wyjściem heterodyny 8. Na wejście sterujące heterodyny 8 jest doprowadzony pierwszy sygnał zegarowy CLK. Na wyjściu mieszacza 7 uzyskuje się radiolokacyjny sygnał złożony z nieliniową modulacją częstotliwości NLFM.

Działanie układu według wynalazku jest następujące. Pamięć ROM1 źródła sygnału wzorcowego 1 przechowuje wartości widma gęstości mocy sygnału wzorcowego. Wartości te są zdefiniowane dla wielu różnych funkcji okien i przechowywane w postaci tablicy w komórkach pamięci nieulotnej ROM1. Pamięć ROM1 jest adresowana stanem licznika COUNT układu zliczającego 2 i sygnałem wyboru numeru okna WNB. Układ zliczający 2 jest taktowany pierwszym sygnałem zegarowym CLK, a praca licznika COUNT jest inicjowana pojawieniem się impulsu wyzwalającego INIT1. W bloku integratora 3 wyznaczana jest energia sygnału w dziedzinie częstotliwości. Ponadto, w efekcie porównania wartości energii sygnału w dziedzinie czasu oraz częstotliwości jest wyznaczana odwrotność nieliniowej funkcji modulującej. Praca integratora 3 jest taktowana pierwszym sygnałem zegarowym CLK. Sygnał wyjściowy integratora 3 w postaci odwrotności nieliniowej funkcji modulującej adresuje pamięć nieulotną ROM2 układu obliczeniowego 4, który realizuje odwzorowanie odwrotne sygnału wejściowego. Na wyjściu układu 4 jest otrzymywana funkcja modulująca, sterująca pracą układu bezpośredniej syntezy cyfrowej DDS bloku przetwarzającego dane 5. Praca układu 5, który generuje w postaci cyfrowej sygnał radiolokacyjny, jest taktowana drugim sygnałem zegarowym CLKSYS o częstotliwości pracy równej 280 MHz oraz synchronizowana impulsem startowym PR1. Postać cyfrowa sygnału radiolokacyjnego jest następnie przetwarzana w przetworniku cyfrowo-analogowym DC/AC bloku konwertera 6 na postać analogową. Praca przetwornika DC/AC jest taktowana pierwszym sygnałem zegarowym CLK. Analogowy sygnał radiolokacyjny jest następnie mieszany w układzie mieszacza 7 z sygnałem heterodyny 8, dzięki czemu widmo sygnału radiolokacyjnego jest przesuwane do zadanej częstotliwości nośnej. Praca generatora heterodynowego jest również taktowana pierwszym sygnałem zegarowym CLK.

Claims (11)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób syntezy sygnału radiolokacyjnego z nieliniową modulacją częstotliwości wykorzystujący właściwości energetyczne sygnałów o skończonej energii i transformowalnych w sensie Fouriera oraz izomorfizm sygnałów w przestrzeniach liniowych czasu i częstotliwości o widmie zdefiniowanym za pomocą funkcji okien czasowych, zawierający etap wyboru parametrów sygnału wzorcowego, znamienny tym, że na początku określa się widmo gęstości mocy impulsu sondującego o kształcie kwadratu okna czasowego rozpatrywanego w dziedzinie częstotliwości, następnie wyznacza się energię sygnału w dziedzinie czasu oraz określa się energię sygnału widmowej gęstości mocy w dziedzinie częstotliwości, po czym porównuje się energię sygnału wyrażoną w dziedzinie częstotliwości z energią tego sygnału wyrażoną w dziedzinie czasu, a z porównania energii wyznacza się odwrotność nieliniowej funkcji modulującej, po czym stosując odwzorowanie odwrotne uzyskuje się nieliniową funkcję modulującą, następnie układ bezpośredniej syntezy cyfrowej jest sterowany tak wyznaczoną nieliniową funkcją modulującą generując cyfrowy sygnał radiolokacyjny, który w dalszym etapie jest przekształcany do postaci analogowej, a na końcu analogowy sygnał radiolokacyjny jest mieszany z sygnałem heterodyny przesuwając widmo sygnału z nieliniową modulacją częstotliwości do zadanej częstotliwości nośnej.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wzorcowe widmo gęstości mocy wybiera się ze zbioru próbek widm gęstości mocy zdefiniowanych dla różnych funkcji okien.
3. 3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że wykorzystuje działanie filtracyjne funkcji okna czasowego Kaisera.
4. 4. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że wykorzystuje działanie filtracyjne funkcji okna czasowego Hanna.
5. 5. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że wykorzystuje działanie filtracyjne funkcji okna czasowego Hamminga.
6. 6. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że wykorzystuje działanie filtracyjne funkcji okna czasowego Blackmana.
7. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wyznaczanie funkcji odwrotnej jest realizowane poprzez adresowanie pamięci nieulotnej w której przechowuje się stablicowane wartości wielomianu interpolacyjnego.
8. 8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że odwzorowanie odwrotne wykorzystuje interpolację wielomianową Lagrange'a, korzystnie siódmego rzędu.
9. 9. Układ syntezy sygnału radiolokacyjnego z nieliniową modulacją częstotliwości zawierający źródło sygnału wzorcowego, moduł pamięci nieulotnej, blok obliczeniowy, blok przetwarzania danych, układ konwertera cyfrowo-analogowego oraz układ mieszacza z heterodyną, znamienny tym, że źródło sygnału wzorcowego (1) zawiera pierwszą pamięć nieulotną, w której znajdują się w postaci stablicowanej wartości widma gęstości mocy i na którego pierwsze wejście sterujące jest doprowadzony sygnał sterujący zawierający informację o numerze funkcji okna, a na drugie wejście sterujące jest doprowadzony sygnał z licznika układu zliczającego (2), przy czym na pierwsze wejście sterujące układu zliczającego (2) jest podawany impuls inicjujący pracę układu (2), a na drugie wejście sterujące układu zliczającego (2) jest doprowadzony pierwszy sygnał zegarowy, ponadto układ pamięci nieulotnej (1) jest połączony z układem integratora (3), którego wyjście jest doprowadzone do układu obliczeniowego (4), a na wejście sterujące pracą integratora (3) jest doprowadzony pierwszy sygnał zegarowy, natomiast układ obliczeniowy (4) zawiera drugą pamięć nieulotną, przy czym jego wyjście jest połączone z wejściem układu przetwarzającego dane (5) zawierającego blok bezpośredniej syntezy cyfrowej, a ponadto na pierwsze wejście sterujące układu przetwarzającego dane (5) jest doprowadzony drugi sygnał zegarowy, a na drugie wejście sterujące układu (5) jest wprowadzony impuls synchronizujący, ponadto wyjście układu (5) jest połączone z wejściem konwertera sygnału (6), zawierającego przetwornik cyfrowo-analogowy, a wyjście konwertera (6) jest wprowadzone na pierwsze wejście mieszacza (7), natomiast drugie wejście mieszacza (7) jest połączone z wyjściem heterodyny (8), a na wejście sterujące pracą heterodyny (8) jest doprowadzony pierwszy sygnał zegarowy, natomiast radiolokacyjny sygnał złożony z nieliniową modulacją częstotliwości jest generowany na wyjściu mieszacza (7).
10. 10. Układ według zastrz. 9, znamienny tym, że wzorcowe widmo gęstości mocy jest zapisane w postaci tablicy w pierwszej pamięci nieulotnej, przechowującej próbki widm gęstości mocy zdefiniowane dla różnych funkcji okien.
11. 11. Układ według zastrz. 9, znamienny tym, że pierwsza pamięć nieulotna i druga pamięć nieulotna znajdują się we wspólnej przestrzeni adresowej.