19 ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННОГО ДАЛЬНОМЕРА

Введение

 

Учебный план специальности 2016 “Радиоэлектронные системы и комплексы” предусматривает выполнение курсовой работы по дисциплине “Цифровая обработка сигналов и микропроцессоры в радиоуправлении”.  Специфика этой дисциплины такова, что для выполнения курсовой работы от студентов требуются  знание основных учебных курсов и чёткое понимание особенностей цифровой реализации алгоритмов обработки сигналов. В настоящее время в научно-технической литературе наблюдается широкий поток публикаций по цифровой обработке сигналов в различных областях техники, однако студентам сложно разобраться в огромном количестве информации и выделить в чёткой форме необходимые сведения. К сожалению, пока отсутствуют систематизированные работы в этой области. Это объясняется тем, что развитие данного направления происходит чрезвычайно быстро в связи с непрерывным совершенствованием методов обработки сигналов и элементной базы, вызванным повышением требований к выпускаемым и вновь проектируемым техническим устройствам.

В данном учебном пособии рассматриваются возможности цифровой обработки сигналов в одной области применения радиолокации – ближней ЧМ дальнометрии, когда требуется измерять малые расстояния с высокой точностью. В связи с ограниченным объёмом учебного пособия приводятся практически без подробных доказательств, но со ссылками на соответствующую литературу краткие  теоретические сведения о некоторых вариантах построения дальномера. При этом внимание уделяется таким вариантам, которые допускают цифровую реализацию. Приводятся общие идеи построения, формулы, положенные в основу алгоритмов работы некоторых дальномеров, укрупнённые структурные схемы и оценки достижимых погрешностей измерения, позволяющие обоснованно выбрать наиболее подходящий вариант. Затем даются рекомендации по цифровой реализации.

В работе отсутствуют конкретные технические решения в завершённом виде. Изложенный материал позволяет выполнять многовариантное проектирование и  может служить базой для развития самостоятельного творческого мышления студентов.

Основой для работы являются научно-технические публикации в периодической литературе и результаты, полученные автором самостоятельно или в составе творческого коллектива в процессе разработки новых приборов на приборостроительном предприятии  ООО “Контакт-1”.

 

  1. 1. Теория ЧМ дальномера

 

Основные сведения о ЧМ дальномере

Рассмотрим основные свойства ЧМ дальномера [1-3], блок-схема которого приведена на рис. 1.1. В состав устройства входят: модулятор, генератор сверхвысокой частоты, передающая и приёмная антенны, смеситель, усилитель-ограничитель, измеритель частоты и вычислитель расстояния.

 

 

 

Рис. 1.1.  Блок-схема простейшего ЧМ дальномера

 

Непрерывный высокочастотный сигнал модулируется по частоте и излучается в направлении объекта, расстояние до которого необходимо измерить. Обычно для модуляции используется некоторая монотонная периодическая функция  с периодом . Частота излучаемого сигнала изменяется в пределах от  до   по закону:

,             (1.1)

где:  - несущая частота, - закон изменения частоты.

Тогда диапазон перестройки частоты (удвоенное значение девиации):

.                            (1.2)

Во многих случаях в качестве модулирующей функции  используют симметричную треугольную, хотя могут применяться и другие функции.

Спустя время  распространения электромагнитной волны до объекта и обратно отражённый сигнал и часть мощности излучаемого сигнала поступают в смеситель. На выходе смесителя образуется сигнал разностной частоты (СРЧ), представляющий собой низкочастотную часть произведения излучаемого и отражённого колебаний:

,

где: и - соответственно амплитуда, и фаза СРЧ;

и  - фаза излучаемого и отражённого сигналов;

;  ;

- начальное значение фазы излучаемого сигнала; - фаза комплексного коэффициента отражения объекта.

Отсюда получим:

.                                     (1.3)

Обычно условия работы дальномера таковы, что . В этом случае функцию  в выражении (1.3) можно считать постоянной в течение времени интегрирования и получить:

.                                         (1.4)

Видно, что закон изменения фазы СРЧ при указанных допущениях совпадает с законом изменения частоты зондирующего сигнала.

СРЧ с выхода смесителя усиливается, преобразуется в прямоугольные импульсы и поступает на измеритель частоты. Полученное значение частоты является основой  для вычисления расстояния.

Измеряемая частота равна [2,6]:

.

Измеритель частоты определяет её среднее значение за некоторый интервал времени. Вследствие периодичности закона модуляции целесообразно измерять среднее за период модуляции значение частоты:

.

Для этого на измеритель частоты и вычислитель расстояния  поступают импульсы, задающие границы периода модуляции (рис. 1.1). При симметричном законе модуляции среднее значение частоты:

,

где:- момент равенства  частоты сигнала величине.

При более сложном законе модуляции приведённое выражение остаётся справедливым [6].

С учётом (1.2) получим частоту разностного сигнала:              ,

т.е. среднее значение частоты разностного сигнала линейно связано с задержкой сигнала и не зависит от закона модуляции.

Принимая во внимание, что , где - измеряемое расстояние,  - скорость распространения электромагнитной волны, получим формулу  для измеряемого расстояния:

.                                                    (1.5)

Отметим, что при выводе этой формулы не накладывались ограничения на форму зависимости частоты излучаемого сигнала от времени .

Важной особенностью этих измерений, затрудняющей получение высокой точности, является ограниченный объём выборки, по которой производится оценка частоты. На малых дальностях в течение одного периода модуляции может сформироваться всего 4-6 периодов СРЧ.

Если для измерения разностной частоты воспользоваться счётным методом, то формула (1.5) принимает вид:

,

где  - число полных периодов СРЧ, укладывающихся в периоде модуляции;  - операция вычисления целой части.

В результате возникает дискретная ошибка , величина которой:

.                                                     (1.6)

Во многих случаях необходимо применять какие-либо меры для её снижения. Существуют различные способы измерения , обеспечивающие меньшую ошибку. Часто их называют способами сглаживания дискретной ошибки (ССДО).

 



 
мозаичная и керамическая плитка