19 ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННОГО ДАЛЬНОМЕРА - Страница 9

7. Цифровая реализация обработки

сигналов ЧМ дальномера

 

Прецизионный ЧМ дальномер малых расстояний является  сложной радиолокационной системой, и успех его проектирования в сильной степени зависит от точности воспроизведения описанных выше алгоритмов формирования зондирующего сигнала и обработки СРЧ. Цифровая реализация позволяет обеспечить требуемую точность, но для этого необходимо правильно выбрать вариант реализации и параметры конкретных цифровых устройств и алгоритмов. Формулы, необходимые для организации вычислений по каждому из рассмотренных способов, приведены выше. В цифровом виде будем реализовывать только те операции, реализация которых в аналоговом виде невозможна, слишком сложна или не позволяет добиться необходимой точности измерений.

Структурная схема ЧМ дальномера с цифровой обработкой сигналов, реализующая любой алгоритм обработки из рассмотренных выше, в общем случае может быть изображена в виде, показанном на рис. 7.1.

 

 

 

Рис. 7.1. Обобщённая структурная ЧМ дальномера

с цифровой обработкой сигналов

 

В отличие от приведённой ранее схемы рис. 3.2 на данной схеме имеются три блока, содержание которых может изменяться в зависимости от вида выполняемой обработки. Это схема предварительной обработки (СПО). Исполнение СПО может быть полностью аналоговым с автоматической регулировкой усиления и необходимой фильтрацией сигналов и выдачей на ВУ нулей и экстремумов СРЧ. Возможно  аналогово-цифровое исполнение СПО с предварительным усилением сигнала, с автоматической регулировкой усиления, переводом сигналов в цифровую форму и выдачей цифровых отсчётов на ВУ.

Преобразователь (Пр) осуществляет преобразование выходного СВЧ сигнала в форму, необходимую для управления модулирующим напряжением в соответствии с выбранным алгоритмом формирования сигнала. Это может быть формирование двух частотных меток для управления моментами переключения напряжения модуляции или преобразование высокочастотного сигнала в низкочастотный для дальнейшего нахождения отсчётов модулирующего напряжения, обеспечивающего линейную модуляцию, или для прямого синтеза частоты.

Формирователь модулирующего напряжения (ФМН) в соответствии со сказанным может в одном варианте просто формировать аналоговое пилообразное напряжение, управляемое по амплитуде с помощью сигналов с ВУ, или, в другом варианте, управлять генератором СВЧ с помощью цифроаналогового преобразователя с усилителем и фильтром.

ВУ содержит в своём составе необходимое количество вычислительных и управляющих средств в виде одного или более микропроцессоров, выполняющих все требуемые по алгоритму операции.

ППМ СВЧ и НО в данной схеме выполняют те же функции, что и в схеме рис. 3.2.

Конкретные требования к каждому из блоков зависят от выбранного способа обработки. На схеме не показаны такие обязательные блоки, как блок индикации и управления, обеспечивающий возможность вмешательства в работу дальномера с целью изменения режима работы и индикации результата измерения и самоконтроля устройства, и блок интерфейса, позволяющий осуществлять связь с внешними устройствами.

 

7.1.  Особенности сигналов ЧМ дальномера

 

Рассмотрим особенности сигналов ЧМ дальномера повышенной точности и стабильности и его основных узлов, определяющие  требования к цифровой реализации

1.  Обычно диапазон изменения дальности такой, что динамический диапазон СРЧ достигает 60 дБ.

2.  Кроме полезного сигнала, на входе схемы обработки присутствуют так называемый сигнал паразитной амплитудной модуляции (ПАМ), вызванный несогласованностью СВЧ тракта и превышающий в некоторых случаях полезный сигнал на 20 дБ, мешающие сигналы, порождённые отражениями от местных предметов, а также флюктуационные шумы.

3.  Форма сигнала ПАМ достаточно сложная, период повторения совпадает с периодом модуляции и, следовательно, спектр ПАМ содержит множество гармоник, кратных частоте модуляции .

4.  Диапазон частот СРЧ зависит от диапазона перестройки частоты СВЧ генератора  и диапазона измеряемого расстояния и в большинстве случаев лежит в пределах от   до , т.е. пересекается со спектром ПАМ.

5. Модулирующее напряжение СВЧ модуля зависит от используемого типа варактора и чаще всего может изменяться в пределах 5…20 В.

6. Средняя крутизна МХ для большинства используемых варакторов лежит в пределах (70¸100) МГц/в.

7. Требуемая точность измерения расстояния зависит от технических требований к дальномеру и может изменяться от нескольких сантиметров до  миллиметра, т.е. допустимая относительная погрешность может достигать значений . Такая точность может быть достигнута при отношении сигнал/шум не менее 60 дБ [3].

8.Измеряемая величина изменяется во времени сравнительно медленно, что позволяет использовать невысокие частоты модуляции.

Время обработки должно быть таким, чтобы темп выдачи результатов измерения не затягивал работу технической системы, использующей эти результаты. По возможности, необходимо стремиться к работе в естественном масштабе времени.

 

7.2. Реализация способов, основанных на выделении

характерных точек сигнала разностной частоты

В этих способах не требуется точно передавать форму СРЧ. Достаточно знать только число нулей или их положение внутри периода модуляции. Обработка СРЧ может производиться двумя способами. В первом способе из СПО на ВУ поступают фронты прямоугольных импульсов, получившихся в результате бинарного амплитудного квантования СРЧ,  и вызывают там выполнение необходимых программ обработки.

Во втором способе в ВУ вводятся цифровые отсчёты СРЧ, по которым ВУ с помощью соответствующих программ интерполяции определяет количество или временное  положение нулей СРЧ. Частота дискретизации СРЧ при этом выбирается исходя из максимально возможного расстояния:

.                                               (7.1)

Результаты моделирования обработки СРЧ с помощью разных алгоритмов [39] показывают, что погрешность измерения слабо зависит от , если эта частота становится выше удвоенного значения, полученного по (7.1).

Динамический диапазон полезного сигнала 60 дБ позволяет утверждать, что для достаточно верного представления отсчётов смеси сигнала с помехой и шумом необходимо использовать шестнадцатиразрядный входной АЦП. При этом даже на максимальном расстоянии для цифрового представления полезного сигнала остаётся 6 разрядов полной разрядной сетки.

Наличие сигнала ПАМ приводит к необходимости его фильтрации и, следовательно, приводит к необходимости ограничения минимального измеряемого расстояния такой величиной, при которой частота СРЧ и частоты гармоник сигнала ПАМ не перекрываются.

Дальнейшая детализация параметров цифровой обработки зависит от выбранного ССДО.