Радиотехнические системы. Учебное пособие

кроме того, увеличивается отношение сигнал–шум (ОСШ) по сравнению с сигналом на входе согласованного фильтра. Указанные достоинства позволяют широко использовать ЛЧМ-сигналы в сложной помеховой обстановке, а также при организации синхронизации в РТС.

Фазоманипулированные сигналы Код Баркера

АКФ цифровых сигналов, сформированных с помощью кодов (последовательностей) Баркера, имеет главный лепесток, ширина которого определяется используемым элементарным импульсом, и N боковых, где N – длина последовательности. Уровень боковых лепестков АКФ не превышает величины 1/N. При этом известны только девять последовательностей Баркера (табл. 2).

В соответствии с кодом Баркера происходит фазовая манипуляция элементарными импульсами: плюс единице соответствует неизменная фаза сигнала, минус единице – изменение фазы на π.

М-последовательности

Еще одна разновидность фазоманипулированных сигналов – это цифровые широкополосные сигналы на основе псевдослучайных последовательностей, при этом наиболее широкое распространение получил рекуррентный принцип генерирования таких последовательностей [6]:

11

fi fi 1b1 fi 2b2 fi 3b3 ... fi nbn .

Текущее значение fi битовой последовательности формируется при помощи n предшествующих отсчетов этой же функции

fi 1, fi 2 , fi 3... fi n . Коэффициенты bk являются константами для

данной кодовой комбинации (принимают значения «ноль» и «единица»), при этом bn = 1. Число n определяет глубину рекурсии, его называют порядком рекуррентного соотношения (порядком кодовой комбинации).

Генератор псевдослучайной последовательности строится на основе сдвигового регистра, содержащего n разрядов (рис. 4). Значение коэффициентов bk влияет на вид получаемой последовательности. Изменяя bk, можно получить различные последовательности.

Синхронизация

fi

+

Рис. 4. Генератор псевдослучайной последовательности при n = 3

Исходное состояние системы определяется заданием состояний разрядов сдвигового регистра (табл. 3). Управление работой сдвигового регистра осуществляется тактовыми импульсами. Полученное значе-

ние fi поступает на сдвиговый регистр. Имеющиеся в нем значения

сдвигаются вправо на один разряд, а в первую ячейку записывается значение fi . Значение последней ячейки стирается.

Процесс продолжается до тех пор, пока не получают первоначального значения сдвигового регистра. Полученная в результате

последовательность fi , i 1...7 является периодической, так как

12

число различных состояний регистра ограничено и определяется

разрядностью сдвигового регистра 2n . При изменении исходного состояния сдвигового регистра M-последовательность сдвигается во времени.

Таблица 3

Принцип генерации М-последовательности

Состояние, когда все биты в регистре равны нулю, является вырожденным (так как при этом нет генерации), а значит, период:

N 2n 1 . Следует отметить, что период N 2n 1 максимально возможен, однако не все комбинации коэффициентов bk приводят к

тому, что последовательность fi будет иметь максимальную длину.

Например, легко показать, что для приведенного в табл. 3 генератора на основе трехразрядного сдвигового регистра при равенстве всех ко-

эффициентов bk единице период полученной последовательностиfi будет равен четырем.

Период определяет максимальную длину последовательности, которую можно сгенерировать при помощи такой схемы. Последовательность, имеющая максимальную длину, носит название «М-последова- тельность».

База сигнала определяется непосредственно периодом последовательности: B = N.

13

Рассмотрим корреляционные свойства М-последовательностей. Пусть имеются две последовательности Sk i и Sl i , где i – дискрет-

ное время, k, l – номера сигналов. Взаимная корреляционная функция (ВКФ) находится по уравнению

Максимум автокорреляционной функции (АКФ):

Bkk 0 1 N ak i ak i 1.

N i 1

Уровень боковых лепестков АКФ таких последовательностей имеет порядок 1/ N .

1.3. ДАЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ РТС

Максимальное расстояние, на котором обеспечивается функционирование РТС с заданными характеристиками качества, называется дальностью действия РТС [5].

Дальность действия в свободном пространстве ограничивается мощностью передатчика Pc , чувствительностью приемника Pпр min ,

коэффициентами направленного действия передающей G1 и приемной G2 антенны, а также длиной излучаемой радиоволны :

При этом чувствительность приемника Pпр min определяется его

температурой T0 , выраженной в градусах Кельвина, коэффициентом шума Kш , который в основном зависит от первого усилительного каскада, шириной спектра используемого сигнала f, отношением сигнал– шум q2 2E / N0 , а также коэффициентом L, описывающим потери за

14

Дальность действия радиолокационной системы (РЛС) рассчитывается с учетом того, какой принцип работы в нее заложен. В РЛС с активным ответом должно выполняться условие энергетического ба-

ланса, т. е. мощность принятого сигнала ответчика Pпр.о относится к мощности принятого сигнала запросчика Pпр.з также как мощность

излученного сигнала запросчика Pизл.з относится к мощности излученного сигнала ответчика Pизл.о:

Pпр.о Pизл.з .

Pпр.з Pизл.о

Условие энергетического баланса возникает из необходимости равенства дальности действия запросчика и ответчика. Таким образом, для активной РЛС дальность действия можно определить по следующим формулам:

здесь Sэф.з , Sэф.о – эффективная площадь антенны запросчика и от-

ветчика соответственно.

Для РЛС с пассивным ответом дальность действия в свободном пространстве определяется отражающими свойствами цели, а именно

эффективной поверхностью рассеяния (ЭПР) цели ц:

ЭПР количественно равна площади непоглощающей и равномерно во всех направлениях рассеивающей электромагнитные волны поверхности, которая при расположении нормально лучу радиолокатора создает у его приемной антенны поле той же интенсивности, что и реальная цель.

15

Для простых целей ЭПР рассчитывается по формулам [2]:

• для вибратора, расположенного под углом к линиям напряженности электромагнитного поля: ц 0,86λ2 cos4 ;

• для пластины: ц 4 2S2 , S – площадь пластины;

• для уголкового отражателя с треугольными гранями: ц 4π a4 , 3 2

а – длина грани;

• для металлического шара при : 690 d 6 ; dш ц ш

4

16

Кроме того, отдельно выделяют ЭПР объемно-распределенных целей, к которым относятся, например, атмосферные образования (снег,

дождь, облака и пр.): σц Vnσ0 , где радиолокационный объем

V π4 GαGβ cτ2и зависит от длительности зондирующего импульса τи,

коэффициент направленного действия (КНД) антенны по азимуту G 0,5R и углу места G 0,5R, здесь R – дальность до объемно-

распределенной цели; 0,5 – ширина луча по азимуту; 0,5 – ширина

луча по углу места; n – количество элементарных отражателей в единице объема; – ЭПР одного отражателя. Например, для дождя

n 0 6 10–14 I1,6λ–4 , где I – интенсивность дождя [мм/ч].

Выделяют также ЭПР поверхностно-распределенных целей, к которым относятся, например, травяной покров, лес, кустарник, пашню,

волны на водной поверхности: ц 0,5H cτ2и 0 , где H – высота, на

которой находится РЛС.

Для поверхностно-распределенных целей известны удельные ЭПР (табл. 5). Удельная ЭПР – эта безразмерная величина (отнесенная к одному квадратному метру площади), которая определяется экспериментально путем усреднения по количеству измерений при фиксированном угле облучения интересующей поверхности или объекта.

17

Окончание табл. 5

*Здесь ГП – горизонтальная поляризация, ВП – вертикальная поляризация

Дальность действия РТС для метровых, дециметровых, сантиметровых и прочих радиоволн ограничивается также дальностью радиогори-

здесьтенныh. 1, h2 – высоты, на которые подняты передающая и приемная ан-

ЗАДАЧИ

1.В соответствии с выданным преподавателем номером варианта рассчитать последовательность, полученную при генерации по рекуррентной схеме, имеющей параметры, указанные в табл. 6. Изобразить рекуррентную схему. Сделать вывод: имеет ли полученная последовательность максимальную длину. Рассчитать АКФ полученной последовательности, определить уровень боковых лепестков.

18

Таблица 6

Примеры вариантов задач

2.Определить максимальную дальность действия системы передачи информации, в которой передающая антенна, выполненная в виде симметричного вибратора с КНД, равным 1,6, расположена на высоте 25 м, приемная антенна, представляющая собой также симметричный вибратор с КНД, равным 1,6, расположена на высоте 30 м, передача

осуществляется на частоте 3 ГГц. Мощность передатчика 289 мВт, чувствительность приемника 2,925·10–14 Вт.

3.Определить длину волны зондирующего радиосигнала в РЛС с активным ответом, дальность действия которой ограничивается 140 км,

при этом КНД антенны запросчика 2, эффективная площадь антенны ответчика 3 м2, мощность излучения составляет 67 нВт, ширина полосы частот информационного сигнала 2 МГц, отношение сигнал–шум

19

на входе приемника 10 дБ, коэффициент шума первого усилительного каскада приемника 5. Система функционирует при нормальной температуре (25 ºС).

4.Определить мощность излучения в системе передачи информации, предназначенной для передачи радиосигнала на 40 км, при этом передающая антенная с КНД, равным 5, расположена на высоте 50 м,

априемная антенна с КНД, равным 2 – на высоте 5 м, в системе передача информации осуществляется при помощи радиосигнала с длиной волны 12 см, который занимает полосу частот 4 МГц, ОСШ на входе приемника 20 дБ, коэффициент шума первого усилительного каскада 10. Приемник функционирует при нормальной температуре (25 ºС).

5.Определить зону действия пассивной РЛС, если эффективная площадь антенны запросчика 4 м2, КНД антенны запросчика 200, минимальная ЭПР цели, обнаруживаемой в РЛС составляет 10 м2, длина излучаемой радиоволны 6 см, мощность передатчика 2,6 мкВт, чувствительность 46,25·10–14 Вт.

6.Определить, какой коэффициент направленного действия должен быть у передающей антенны в системе передачи информации на расстояние 40 км, если КНД приемной антенны 2, мощность переданного сигнала 12 нВт, чувствительность приемника 0,585·10–14 Вт. Радиосигнал имеет длину волны 20 см.

7.Определить максимальную дальность, на которой активная РЛС обнаружит радиолокационную цель в системе с активным ответом, если у цели имеется антенна с КНД, равным 15, на РЛС установлена антенна площадью 5 м2, облучение осуществляется радиоволной с частотой 600 МГц, мощность излученного сигнала 49 нВт, ширина полосы частот зондирующего сигнала 5 МГц, отношение сигнал–шум на входе приемника 15 дБ, коэффициент шума первого усилительного каскада приемника 5. Приемник функционирует при нормальной температуре (25 ºС).

8.Определить чувствительность приемника в радиотехнической системе, предназначенной для передачи информации на расстояние 70 км, при этом КНД передающей антенны 5, КНД приемной антенны 3, излучается радиосигнал длиной волны 25 мощностью 107 нВт.

9.Определить коэффициент направленного действия антенны активной цели, если необходимо обеспечить обнаружение на расстоянии 100 км, при этом эффективная площадь антенны РЛС 9 м2, зондирующий сигнал излучается мощностью 3 нВт на частоте 500 МГц, чувствительность приемника 32,899·10–14 Вт.

20