Вопрос № 1. Цифровая система СДЦ с обработкой сигналов во временной области

В цифровых системах СДЦ наиболее полно проявляются преимущества цифровых методов и устройств обработки радиолокационных сигналов. Их принципиальным отличием от обычных систем СДЦ является цифровая реализация гребенчатого фильтра подавления (рис.4.79).

Коэффициент подавления ПП, реализуемый в цифровых системах СДЦ, определяется соотношением

К_ППр = (К^-1_{ПП пред} + К^-1_{ПП АЦП} + S К^-1_{ПП i},)^-1, (4.77)

где К_{ПП пред} - предельно достижимый коэффициент подавления ПП для заданных структуры цифрового гребенчатого фильтра подавления(ЦГФП), параметров ПП и динамического диапазона тракта до АЦП;

К_{ПП АЦП} ≈ 10 ^{-0, 6m} (здесь m - разрядность АЦП);

К_{ПП i} - коэффициент подавления, обусловленный нестабильностью i-го функционального узла РЛС (генератора СВЧ, местного и когерентного гетеродинов).

Рис.4.79. Обобщенная структурная схема цифровой системы СДЦ

Из формулы (4.77) видно, что использование цифровой системы СДЦ еще не является гарантией высокой помехозащищенности РЛС от ПП. Для полной реализации ее возможностей необходимо принимать меры по стабилизации параметров зондирующего сигнала, частот гетеродинов и расширению динамического диапазона приемного тракта

(Д_пр ³ К_ППтр).

Цифровые ГФП могут обрабатывать сигналы во временной или частотной областях. В первом случае ЦГФП являются эквивалентом аналоговых устройств ЧПК, соответствующей кратности (с обратными связями или без них), а во втором - набора доплеровских фильтров корреляционно-фильтровых систем СДЦ.

Рассмотрим особенности технической реализации ЦГФП, осуществляющих обработку сигналов во временной области (цифровые режекторные фильтры).

Цифровые ГФП могут быть выполнены по рекурсивной и нерекурсивной схемам.

Обобщенная структурная схема режекторного фильтра содержит совокупность линий задержки, соединенных последовательно, с выходов которых сигналы через соответствующие переключатели поступают на сумматор (рис.4.80).

В этом фильтре обработка сигналов осуществляется с использованием выражения:

, (4.78)

где х (n) - входной сигнал в момент t_n; у (n) - выходной сигнал в момент t_n; а (i), b (i) - весовые коэффициенты. Если не все b(i)=0, то фильтр называется рекурсивным. Примером рекурсивного фильтра первого порядка является цифровой рециркулятор.

В рекурсивных фильтрах выходной сигнал зависит не только от значений входного сигнала в данный момент, но и от значений выходного сигнала в предыдущие моменты времени.

Рис.4.80. Обобщенная структура цифрового ГФП (Z^-1- элемент задержки на Т_п)

Рекурсивные фильтры называют еще фильтрами с бесконечной памятью или с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ-фильтры), поскольку в них хранится вся " история" входной последовательности.

Реализация рекурсивных фильтров требует применения обратных связей, а значит принятия дополнительных мер по обеспечению их устойчивости. Примером рекурсивного фильтра первого порядка является цифровой рециркулятор.

В случае, когда все коэффициенты b(i) в формуле (4.78) равны нулю

, (4.79)

не зависит от значений выходного сигнала в предыдущие моменты времени.

Цифровые фильтры, реализующие этот алгоритм, называются нерекурсивными или фильтрами с конечной памятью (КИХ-фильтры) или трансверсальными фильтрами. Реализация их не требует использования обратных связей и поэтому такие фильтры всегда устойчивы. Это является их преимуществом перед рекурсивными ЦФ.

Недостатком рекурсивных ЦФ является накопление ошибок, так как при вычислении последующих отсчетов выходного сигнала используются неточно полученные (из-за конечного числа разрядов вычислительного устройства) предшествующие отсчеты.

Преимущество рекурсивных ЦФ состоит в том, что для их реализации требуется обычно намного меньше элементов, чем для эквивалентных им (с точки зрения характеристик) нерекурсивных ЦФ. В системах СДЦ могут применяться как рекурсивные, так и нерекурсивные ЦФ.

Частотная характеристика ЦФ определяется соотношением

, (4.80)

Требуемый вид частотной характеристики обеспечивается выбором значений весовых коэффициентов а(i) и b(i).

Для анализа частотной характеристики цифровых фильтров широко применяется метод Z - преобразования:

X(n-i) = X(z) Z^-i, (4.81)

т.е. Z^-i соответствует задержке на iТ. Тогда

, (4.82)

Z - преобразование удобно тем, что подставляя в выражение для передаточной функции Н(z)= y(z)/x(z) значения z = exp(j2π fT), можно получить комплексную частотную характеристику фильтра:

Н(f)= |H(f)| exp[ j arg H(f)]. (4.83)

Требуемый вид амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) обеспечивается выбором значений весовых коэффициентов а(i) и b(i).

Рис.4.81. Структурная схема цифрового фильтра

В состав ЦФ (рис.4.81) входят:

ЗУ входных и выходных сигналов;

оперативное и постоянное запоминающие устройства;

арифметическое устройство.

Запоминающие устройства могут иметь различную структуру. Организация ЗУ для нерекурсивного фильтра второго порядка (эквивалент двукратного устройства ЧПК) иллюстрируется на рис.4.82.

Буферный регистр запоминает код выходного сигнала АЦП на время Т_д. ЗУ1 обеспечивает запоминание кодов сигналов со всех N каналов дальности на Т_п. Емкость его составляет N^.m бит, где m - разрядность АЦП.

Запоминающее устройство может выполняться на микросхемах памяти, управляемых адресным счетчиком, или сдвиговых регистрах. В микросхемах памяти в качестве запоминающих элементов используют триггеры. Если одна микросхема запоминает один разряд кода сигналов со всех каналов дальности, то для запоминания N m-разрядных слов необходимо m корпусов микросхем.

Так как входные (выходные) сигналы поступают (считываются) на ЗУ (с ЗУ) последовательно, то управление работой ЗУ существенно упрощается - ячейки для записи и считывания можно выбирать, например с помощью адресного счетчика, на вход которого поступают импульсы дискретизации. Принцип построения ЗУ2 аналогичен ЗУ1.

В общем случае емкость ЗУ входных и выходных сигналов примерно равна 2Т_п F_Дmax m (М+N) бит.

Рис.4.82. Организация ЗУ в нерекурсивном фильтре второго порядка (двукратном цифровом череспериодном компенсаторе)

Оперативное запоминающее устройство предназначено в общем случае для хранения промежуточных результатов вычислений. В ЦГФП классический вариант ОЗУ, как правило, не применяется из-за высоких требований к его быстродействию.

Постоянное запоминающее устройство предназначено для хранения постоянных весовых коэффициентов или результатов умножения возможных значений входных сигналов на их коэффициенты. Выполняется обычно на микросхемах памяти.

Рис.4.83. Арифметическое устройство нерекурсивного фильтра второго порядка

Рис.4.84. Структура сумматора

Арифметическое устройство осуществляет вычисление в соответствии с алгоритмом работы ЦГФП. Например, в случае нерекурсивного фильтра второго порядка АУ (рис.4.83) выполняет операцию вида y(n)=x(n) - 2x(n-1) + x(n-2) и может быть реализовано на основе двух полных сумматоров.

Каждый разряд сумматора (рис.4.84) функционирует в соответствии с табл.4.8.

Таблица 4.8

В общем случае включают помимо сумматоров умножители, реализованные либо по классической схеме, либо на базе ПЗУ.