CC BY
224
УДК 629.7. 058.42
1Боков А.С., 1Важенин В.Г., 1Дядьков Н.А., 2Иофин А.А., 3Мухин В.В.
хФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина», Екатеринбург, Россия
2ОАО «Уральское проектно - конструкторское бюро «Деталь», Каменск-Уральский Свердловской обл., Россия
3ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина», Политехнический институт (филиал) в г. Каменске-Уральском Свердловской обл., Россия ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И АЛГОРИТМЫ РАБОТЫ ИМИТАТОРА СИГНАЛОВ БОРТОВЫХ РАДИОВЫСОТОМЕРНЫХ СИСТЕМ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
Существующие комплексы полунатурного моделирования (ПНМ) для БРВС способны решать задачи имитации радиолокационных сигналов, отраженных только от одного отражателя, либо от нескольких отражателей, но без управления их характеристиками или без учёта смены параметров модуляции излучаемого сигнала, в том числе на несущей частоте. Современный уровень техники позволяет реализовать комплекс ПНМ на основе методов цифровой обработки сигнала (ЦОС) с динамическим управлением параметрами моделирования с помощью ПЭВМ и современных модулей обработки высокочастотных сигналов.
Имитация отражения от статистически однородной шероховатой поверхности с достаточной степенью точности может быть обеспечена при использовании ограниченного числа каналов задержки зондирующего сигнала по причине наличия ненулевых ошибок и ограниченности разрешающей способности самой исследуемой БРВС.
При формировании сигнала, имитирующего отраженный от подстилающей поверхности, можно учесть, что достаточным условием является «одинаковость» усредненных характеристик в течение периода модуляции, т.к. схемотехника БРВС всегда проводит усреднение по длительности периода модуляции. Иными словами, имитируемый сигнал может иметь различные временные параметры внутри периода модуляции, но получаемый на входе частотного дискриминатора сигнал должен иметь тот же спектр.
Имитатор отраженного сигнала, построенный на базе ПЭВМ и модулей ЦОС, предлагаемый далее на примере комплекса ПНМ для радиовысотомеров (РВ) с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), позволяет осуществить имитацию канала распространения сигнала от передатчика до приемника: распространение в окружающей среде и отражение сигнала от протяженной подстилающей поверхности с заданными характеристиками.
Обзор возможностей и требований для реализации алгоритмов имитации с использованием методов цифровой обработки сигналов
Сформулируем общие требования для построения комплекса ПНМ для имитации отраженных сигналов для БРВС с использованием методов ЦОС:
Качественное преобразование излучаемого сигнала с возможностями управления всеми параметрами имитации непосредственно на СВЧ сложно для реализации, поэтому, формирование лучше выполнять на низкой частоте в рабочей полосе блоков ЦОС, но с сохранением всей полосы сигнала биений. Соответствующее требование к аппаратуре ЦОС (при работе с типовыми РВ) : диапазон частот обрабатываемых сигналов не меньше 200 МГц. Тогда требуемая частота дискретизации АЦП At £ (2Fe)-1 = 2,5 нс.
Для БРВС непрерывного излучения форма зондирующего сигнала является переменной, поэтому для имитации отраженного сигнала остаётся только одна возможность - формировать отраженный сигнал в виде сумм нескольких копий излучаемого сигнала с задержками, амплитудами, доплеровскими сдвигами соответствующими заданным параметрам моделирования.
Необходимое число слагаемых - сигнальных каналов может быть определено из знания параметров модуляции БРВС и параметров обстановки и движения ЛА. Основными параметрами являются высота, ширина ДНА и ДОР, разрешающая способность РВ по высоте. Для типовых ЛЧМ РВ высотам 50-500 м соответствуют 20-200 требуемых гармоник сигнала биений.
Значения имитируемых высот при ЦОС реализуются с помощью линий задержки (ЛЗ) на базе массива в памяти ОЗУ. Для БРВС с непрерывным излучением, рабочий диапазон высот до 5 км. Тогда, с учётом расширения спектра на 30 %, требуемая максимальная величина задержки tmax > 44 мкс. Требуемый размер памяти ОЗУ для ЛЗ, с учётом частоты дискретизации At АЦП, составит tmax / At > 17,6 К ячеек соответствующей АЦП разрядности.
При проверке функциональных характеристик БРВС, желательна проверка движения ЛА с заданными скоростями. Для корректного формирования отраженного сигнала, требуется аппаратная имитация доплеровских сдвигов соответствующих относительной скорости ЛА и длине волны излучения. Для наиболее скоростных ЛА, достаточная величина значений Afmax > ±32 кГц.
Для формирования имитируемого сигнала имитатор должен обеспечивать не только задержку и преобразование частот спектра, но и вносить ослабление сигнала в соответствии с параметрами моделирования. Требуемый диапазон значений коэффициента затухания для управления аттенюатором определяется диапазоном высот БРВС. Для оценки потенциала (чувствительности) БРВС требуются большие значения коэффициента затухания: ^ax > 160 дБ для типового ЧМ РВ.
Для корректной цифровой обработки сигналов и максимального использования динамического диапазона АЦП/ЦАП общее ослабление сигнала целесообразно выполнять двумя управляемыми аттенюаторами: 1-й обеспечит подачу на вход АЦП оптимального по уровню сигнала, а второй установит общую степень затухания до необходимой величины уже после ЦАП.
Для упрощения аппаратной реализации и улучшения качества моделирования, суммирование копий излучаемого сигнала может быть заменено на микширование с частотой выше верхней частоты пропускания фильтра сигнала биений исследуемой БРВС.
Вариант структуры комплекса ПНМ, отвечающий перечисленным требованиям, приведен на рис. 1.
Рис. 1. Структура комплекса ПНМ с использованием методов ЦОС
Модель расчёта параметров ЦОС в режиме реального времени проводит расчёт и установку значений задержек t1-tn, амплитуд E2-En и доплеровских сдвигов Afx-Afn соответствующих заданным параметрам моделирования. Коммутатор осуществляет микширование во времени - подключение і-го входного сигнала ко входу ЦАП, с очередностью и длительностью заданной блоком тактирования, на основе значений Ei-En для n сигналов.
Общая точность и качество моделирования будут зависеть от числа уровней квантования сигналов и параметров модели, частоты дискретизации, собственных шумов аналоговых цепей и преобразователей, такта расчёта и обновления параметров имитации.
Основу всех быстродействующих цифровых систем запоминания сигнала составляет DRFM (digital radio frequency memory) - цифровая память радиосигнала. Основное назначение таких СБИС - комплексы радиоэлектронной борьбы. Например, в [1] описан имитатор ложной цели корабля. В данном имитаторе применялась «связка» из DRFM и ASIC архитектуры под управлением высокопроизводительного микропроцессора .
Созданная для аналогичных применений отечественная СБИС 1879ВМ3 предназначена для предварительной обработки широкополосных радиосигналов, формирования потока данных для вторичной обработки цифровым процессором сигналов, восстановления радиосигнала после вторичной обработки. СБИС представляет собой быстродействующую систему запоминания и обработки сигналов класса «система на кристалле» со встроенными аналого-цифровыми (АЦП) и цифро-аналоговыми (ЦАП) преобразователями, которая может использоваться в системах цифровой обработки сигналов.
Применение такой элементной базы может применяться и для построения имитаторов отраженных сигналов для БРВС в режиме реального времени.
В 2004 г. совместно в НИИ РАСЛА УрФУ и на предприятии ОАО «УПКБ «Деталь» был создан имитатор одиночной точечной цели ИЦ-БСУ для РЛС на базе СБИС 1879ВМ3(Б8М) [2]. ИЦ-БСУ успешно эксплуатируется в составе комплекса полунатурного моделирования в ГосНИИАС и на предприятия ОАО «УПКБ «Деталь». Использование в нем указанной СБИС позволило достаточно просто решить задачу имитации сигналов, отраженных точечной целью в диапазоне дальностей до десятков километров и скоростей до 1500 м/с при произвольной модуляции зондирующего сигнала.
Имитация сигналов, отраженных от статистически однородных протяженных поверхностей является существенно более сложной задачей, т.к. требуется формирование сигнала, образованного суммой парциальных сигналов, отраженных различными элементами поверхности с задержками и доплеровскими сдвигами, непрерывно распределенными в некотором диапазоне задержек и частот. Прямой метод имитации, основанный на суммировании сигналов, отраженных всеми элементами поверхности приводит к недопустимо большому числу слагаемых - сигнальных каналов. Для ограничения числа сигнальных каналов целесообразно не исключать слабые отражения, а сгруппировать (и объединить по средней мощности) все близкие по параметрам сигналы, ограничив общее количество требуемых сигнальных каналов.
Структура программно-аппаратного комплекса полунатурного моделирования
Описанный подход к полунатурному моделированию отраженного сигнала для функциональной проверки и оценки характеристик БРВС можно реализовать на базе PCI-модуля МС23.01 [3] использующего СБИС 1879ВМ3(DSM).
Комплекс полунатурного моделирования состоит из блоков сопряжения БРВС с модулем ЦОС, самого модуля МС23.01 с интерфейсом PCI, ПЭВМ управления ходом эксперимента с контролем измеренной высоты и разовых команд, выдаваемых БРВС. Преобразование сигнала в модуле МС23.01 проводится на нулевой частоте с сохранением всей занимаемой им полосы, т.е. 100-200 МГц в зависимости от типа БРВС.
Рис. 2. Структура комплекса ПНМ на базе модуля ЦОС МС23.01
В структуре комплекса можно выделить два канала прохождения сигнала - входного и выходного (для высотомера) сигналов. При этом для реализации функций сдвига частоты, в МС23.01 каждый сигнал представлен двумя квадратурными последовательностями: отсчётами вещественной и мнимой составляющей .
В верхнем на схеме канале сигнал с выхода БРВС поступает на аттенюатор «А1», необходимый для настройки оптимального для обработки уровня входного сигнала. Далее сигнал поступает в смеситель «СМ1», где переносится на нулевую частоту сигналом от гетеродина. С выхода смесителя сигнал поступает на вспомогательные согласующие усилители квадратур «УІ» и «Уд», с них - на квадратурные входы модуля МС23.01: входы мнимой составляющей «Вход I» и реальной - «Вход Q».
В нижнем канале с квадратурных выходов «Выход I» и «Выход Q» модуля МС23.01 сигнал поступает на входы согласующих усилителей «УІ», «Уд», осуществляющих предварительное усиление сигнала. С выхода усилителей сигнал поступает на второй смеситель «СМ2», который переносит его с нулевой частоты на исходную частоту несущей. Далее сигнал поступает на второй аттенюатор «А2», необходимый для задания требуемого затухания сигнала.
Для эффективного управления аттенюаторами и гетеродином в макетном образце имитатора сигналов предложено использовать микроконтроллер Philips LPC214x с USB интерфейсом. Измеренная высота и разовые команды поступают через модули сопряжения (в зависимости от типа РВ) в ПЭВМ для контроля и возможности последующего анализа результатов моделирования.
Основные принципы формирования отраженного сигнала на базе 1879ВМ3(Б8М), показаны на рис. 3.
В СБИС для реализации функций сдвига частоты, входной и выходной сигналы должны быть представлены двумя квадратурными последовательностями - отсчётами вещественной и мнимой составляющей [3], поэтому входной сигнал предварительно умножается на сигналы с генератора cos(wt) и генератора sin(wt), а затем поступает на входы двух АЦП. Цифровая линия задержки реализуется в виде кольцевого буфера во внутреннем ОЗУ с отдельными портами для записи и чтения отсчётов сигнала. Аппаратная архитектура СБИС позволяет оперировать 8 сигнальными каналами с помощью одинаковых программируемых блоков сигнальных каналов, функция суммирования сигналов разных каналов отсутствует, поэтому к выходным ЦАП в одно время поступают квадратурные составляющие, преобразованные по параметрам одного выбранного блока сигнального канала.
Рис. 3. Блок-схема цифровой обработки и формирования сигнала
Для имитатора радиолокационной цели при программной коммутации можно использовать 6 или 7 сигнальных каналов, т.к. один канал всегда занят записью оцифрованного входного сигнала в кольцевой буфер в ОЗУ и ещё один канал можно периодически или постоянно использовать для обновления данных моделирования - параметров блоков 23 и 22 из массивов параметров, размещенных в ОЗУ СБИС, например, в памяти программ. Программный контроллер работает по командам из памяти программ, выполняя основную функцию синхронизатора 5 путём поочередного выбора номера канала для управления коммутатором задержек и коммутатором коэффициентов с учетом параметров сигналов блестящих точек (интервалы смены выбранного канала пропорциональны амплитудам E1 - En) размещенных в памяти программ.
Коммутатор задержек выдает в 20 «адрес чтения» из кольцевого буфера в ОЗУ квадратурных составляющих оцифрованного сигнала, с выхода «адреса чтения» выбранного по номеру блока. «Адрес чтения» соответствует значению задержки из набора параметров t1 ... tn. Коммутатор коэффициентов 9 выдает в блок сдвига частоты значение доплеровского смещения частоты, с выхода «Af» выбранного по номеру блока из набора коэффициентов модуляции - сдвига частоты f1 ... fn.
В блоке сдвига частоты выполняется преобразование квадратурных составляющих сигнала IR, QR в соответствии с выражениями:
IO = IR • cos(2PAf t) + QR • sin (2РД f t),
QO = QR ■ cos (2PAf t) - IR ■ sin(2PAf t), где Af - доплеровское смещение частоты, t - значение счетчика реального времени.
Полученные в блоке сдвига частоты отсчёты вещественной и мнимой составляющей IO, QO поступают на входы двух ЦАП и далее умножаются на сигналы с генератора cos(wt) и генератора sin(wt), а затем поступает на сумматор, формирующий аналоговый выходной сигнал.
При этом СБИС 1879ВМ3(DSM) работает в циклическом режиме с воспроизведением на выходе задержанного и преобразованного входного сигнала сколь угодно большой длительности без разрывов, что дает возможность имитировать сигнал, отраженный от цели, при произвольном законе модуляции зондирующего сигнала без дополнительных синхронизирующих связей между имитатором и радиолокатором. Характеристики комплекса полунатурного моделирования на базе 1879ВМ3(DSM)
Предложенная аппаратная реализация комплекса ПНМ может обеспечить имитацию работы БРВС в широком диапазоне параметров с ограничением высот до 19 км при имитации протяженных поверхностей, 24,5 км при имитации точечных отражателей (с шагом 2 м), 29 км при имитации точечных отражателей при снижении тактовой частоты модуля МС23.01 с 600 МГц до 500 МГц. Результаты испытаний ИОС-РВ [4] для модели «точечного отражателя» и протяженной поверхности подтвердили возможность использования комплекса ПНМ для исследования характеристик БРВС в статическом и динамическом режимах, в том числе при нестационарном движении над произвольной поверхностью.
Диапазон имитируемых скоростей ЛА до ±10 км/с, с шагом 0,3 м/с. Динамический диапазон, обеспечиваемый 5 аттенюаторами выходного сигнала ИОС-РВ, 5-31,5 дБ = 157,5 дБ, с шагом 0,5 дБ. Такт обновления параметров моделирования > 10 мс, с шагом 10 мс.
Погрешности представления эквивалентного спектра сигнала биений набором гармоник в общем случае различны для разных типов БРВС и высот. По показаниям измеренной высоты можно оценить лишь влияние различных методов формирования спектров на величину систематической и флуктуационной ошибок. Более полную оценку погрешностей можно делать, анализируя выборочные спектры сигналов биений на множестве интервалов наблюдения исследуемых БРВС с ЧМ.
Заключение
Показано, что для реализации имитаторов сигналов для БРВС, с различными принципами измерения высоты, возможно и целесообразно использование современных процессоров цифровой обработки сигнала с функцией суммирования или коммутации выходных сигналов, получаемых путём задержки и ослабления излучаемого сигнала.
Имитация отражения от поверхности с достаточной степенью точности может быть обеспечена при использовании ограниченного числа каналов задержки зондирующего сигнала. Каналы задержки зондирующего сигнала могут быть реализованы в режиме разделения времени с помощью одного модуля ЦОС МС23.01 с переключением задержки с частотой коммутации, зависящей от ширины имитируемого эквивалентного спектра сигнала биений БРВС [5]. Параметры сигнальных каналов - задержка, амплитуда (или длительность коммутации), обеспечивают заданные моделью положение и форму огибающей спектра сигнала биений, соответствующие требуемому значению высоты, типу БРВС и типу подстилающей поверхности.
Полученные с использованием ИОС-РВ методики полунатурного моделирования, обеспечивают эквивалентные натурным испытаниям исследования технических решений и алгоритмов работы БРВС в статике и в динамических режимах реального времени, т. к. они основаны на изученных принципах многолучевого распространения и изменения параметров реальных радиолокационных сигналов.
Полунатурное моделирование системы с использованием ИОС-РВ обеспечивает проведение:
исследований, отработки и оценки точностных и динамических характеристик дальномерного канала РВ и радиовысотомерных датчиков с ЛЧМ;
синтеза и отработки алгоритмов применения в условиях мешающих переотражений;
исследований и оценки качества алгоритмов помехозащищенности для БРВС;
отработки информационного взаимодействия БРВС с бортовой навигационной системой;
отработки математического обеспечения вычислительных алгоритмов бортовой аппаратуры ЛА.
Независимо от аппаратной реализации существует задержка, обусловленная временем распростране-ния и обработки сигнала в кабелях и цепях блоков обработки сигналов, ограничивающая минимальную имитируемую высоту. Для снижения минимальной имитируемой высоты и компенсации собственной задержки возможно использование сдвига частоты.
Для БРВС высокого разрешения для больших высот, повышение числа каналов задержки зондирующего сигнала возможно с использованием нескольких модулей МС23.01 с суммированием выходных сигналов, либо с помощью «размазывания» спектра отдельных гармонических составляющих спектра флуктуациями их амплитуд или частотных сдвигов. Для «размытия» гармоник спектра сигнал каждого канала можно модулировать шумом с шириной спектра равной интервалу между частотами группировки.
Общая точность и качество моделирования будут зависеть от числа уровней квантования сигналов и параметров модели, частоты дискретизации, собственных шумов аналоговых цепей и преобразователей, такта расчёта и обновления параметров имитации.
Как известно, характеристики ЭРИ и надёжность РЭС сильно зависят от внешних воздействующих факторов, причём наибольшое число отказов элементной базы (более 21% от общего числа отказов) приходится на повышение температуры корпуса ЭРИ или окружающей их среды. Поэтому для обеспечения оптимального теплового режима ИОС-РВ использованы современные методы теплофизического конструирования [б, 7], которые в заданных условиях эксплуатации позволили добиться максимального снижения
перегревов применённой элементной базы и ИОС-РВ в целом и, тем самым, повысить его надёжность.
ЛИТЕРАТУРА
1. Mixed-Signal ASIC Design for Digital RF Memory Applications/ Michael J. Groden LNX Corporation 8B Industrial , James R. Mann Mann VLSI Research [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.lnxcorp.com/Files/DRFM.pdf
2. Имитатор отраженных сигналов радиолокационных систем / А. С. Боков, В. Г. Важенин, Л.П. Воробьев, Н.А. Дядьков, В.В. Мухин, Ю.Г. Нестеров, А.И. Сиротин // Радиовысотометрия - 2004: труды Первой Всероссийской научно-технической конференции. Екатеринбург : Изд. АМБ, 2004. С. 164-168.
3. Инструментальный модуль МС23.01 на базе СБИС «система на кристалле» 1879ВМ3 [Электронный
ресурс]. Режим доступа: http://www.module.ru/ catalog/micro/ processor_1879bm3_dsm/
4. Боков А. С. Оценка качественных характеристик бортовых радиовысотомеров. / А. С. Боков, В. Г.
Важенин, Н.А. Дядьков, [и др.] // Надежность и качество: труды Международного симпозиума. Пенза:
изд-во ПГУ, 2010. Т. 1. С. 16-18.
5. Имитатор ложной радиолокационной цели при зондировании сигналами с линейной частотной модуляцией. Патент RU 2486540 Опубликован: 27.06.2013. Бюл. № 18. 13 c.
6. Иофин А. А. Некоторые аспекты теплофизического конструирования РЭС. Надёжность и качество:
труды Международного симпозиума. В 2-х т. Пенза: информац.-издат. центр ПГУ, 2009. Т. 1. С. 63-
65 .
7. Иофин.А.А. Методика ускоренной комплексной оценки тепловых режимов РЭС. . Надёжность и ка-
чество: труды Международного симпозиума. В 2-х т. Пенза: изд-во ПГУ, 2011. Т. 2. С. 261-263.
