ФОРМИРОВАНИЕ КОГЕРЕНТНЫХ СИГНАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МНОГОКАНАЛЬНЫХ СИНТЕЗАТОРОВ

Формирование когерентных сигналов необходимо как в современных радиолокационных системах, так и в системах связи. В статье рассмотрены примеры применения многоканальных синтезаторов, выпускаемых компанией Analog Devices, для формирования когерентных и сложномодулированных фазовокогерентных сигналов.
В. Макаренко

Актуальной проблемой современной радиолокации является повышение помехозащищенности РЛС, что подразумевает обеспечение подавления естественных и искусственных помех, низкую вероятность перехвата излучения, высокую точность измерения параметров целей. Особенностью помехозащищенных станций различного назначения является использование сложномодулированных когерентных зондирующих сигналов с большой базой. Для одноантенных РЛС, например, судовых и корабельных, особенно большой интерес представляет использование сигналов с высоким разрешением по дальности и большой длительностью когерентного накопления. Такие сигналы позволяют существенно снизить пиковую мощность передатчика и обеспечить точное измерение дальности и скорости перемещения цели. В когерентных радиолокационных системах, в отличие от некогерентных, используется информация об изменении не только параметров амплитуды, но и фазы отраженного от цели сигнала. Чувствительность этих систем к изменению фазы сигнала является наиболее высокой. Так, например, изменение расстояния до цели всего на один сантиметр приводит к изменению фазы сигнала на 180° (в сантиметровом диапазоне волн), в то время как амплитуда сигнала и задержка огибающей сигнала остаются практически неизмененными. Благодаря такой высокой чувствительности использование информации о фазе позволяет значительно повысить эффективность решения всех тактических задач. Для уменьшения числа ошибок при приеме многолучевых сигналов для радиосвязи с подвижными объектами в условиях города также необходимо использование когерентных приемников. В системах космической связи когерентные сигналы используются при формировании как передаваемых, так и принимаемых сигналов.
Эти примеры показывают, что когерентные сигналы широко используются как в радиолокации, так и в радиосвязи. Поэтому задача формирования таких сигналов простыми средствами весьма актуальна. Для решения этой задачи можно использовать синтезаторы, построенные на основе системы ФАПЧ, синтезаторы прямого цифрового синтеза (DDS – Direct Digital Synthesizer) и многоканальные генераторы тактовых сигналов.
В предложены варианты решения задачи формирования когерентных сигналов с использованием синтезаторов DDS, а в рассмотрены основные функциональные схемы и характеристики таких синтезаторов, выпускаемых компанией Analog Devices.
Особенностью синтезаторов прямого цифрового синтеза является то, что частота, амплитуда и фаза сигнала, формируемого на их выходе, в любой момент времени точно известны и могут быть запрограммированы. Синтезаторы DDS обеспечивают высокое разрешение по частоте и фазе, быструю перестройку частоты (или фазы), перестройку по частоте без разрыва фазы и без выбросов напряжения на выходе. Параметры таких синтезаторов практически не зависят от температуры и старения элементов. Единственным элементом, который отличается характерной для аналоговых схем нестабильностью, является ЦАП.
В многоканальных DDS-синтезаторах, несмотря на то, что частота и фаза сигналов на каждом выходе могут задаваться независимо друг от друга, сигнал тактовой частоты является общим для всех каналов. Поэтому при изменении температуры среды и напряжения источника питания эти сигналы остаются когерентными *. Примером такого устройства является двухканальный синтезатор AD9958 (рис. 1), подробное описание работы которого приведено в .

Рис. 1. Функциональная схема синтезатора AD9958
На рис. 2 приведена функциональная схема фазовокогерентного модулятора частотноманипулированных (ЧМН) сигналов, в англоязычной литературе – FSK-сигналов. В качестве источника высокостабильного опорного колебания тактовой частоты с малыми фазовыми шумами используется многоканальный генератор тактовых сигналов типа AD9520, содержащий в своем составе синтезатор с ФАПЧ (рис. 3), который формирует сигнал частотой, соответствующей частоте FSK-сигнала . Генератор AD9520-0 содержит встроенный генератор, управляемый напряжением (VCO), который перестраивается в диапазоне от 2.53 до 2.95 ГГц. Модификации ИМС с другими цифрами в конце обозначения имеют другие диапазоны перестройки частоты и формируют более низкую частоту сигнала на выходе. Самый низкочастотный диапазон 1.4…1.8 ГГц обеспечивает ИМС AD9520-4.

Рис. 2. Функциональная схема фазовокогерентного модулятора ЧМН-сигналов

Рис. 3. Функциональная схема генератора тактовых сигналов AD9520
Выходные сигналы генератора формируются на 12 выходах – четыре группы по три дифференциальных выхода с программируемыми фазовыми сдвигами на каждом из них, независимо для каждой из групп. В каждой группе имеется делитель частоты c коэффициентом деления, программируемым от 1 до 32, и фазосдвигающая цепь (блоки DIV/Ф). Задержка на выходе измеряется по отношению к опорному сигналу и может программироваться в диапазоне от -460 до 1310 пс. Таким образом, на выходах AD9520 формируются когерентные сигналы прямоугольной формы, так как источник опорного колебания для каждого из выходов один и тот же.
В качестве источника сигналов опорной частоты используется встроенный кварцевый генератор либо внешний VCXO-генератор (кварцевый генератор, управляемый напряжением). Спектральная плотность фазового шума на выходе синтезатора при формировании сигнала частотой 200 МГц и растройке от центральной частоты на 10 кГц не превышает -150 дБн/Гц, а схема распределения тактового сигнала по каналам обеспечивает очень малое дрожания фронтов, не превышающее 225 фемтосекунд.
В тактовом генераторе AD9520 предусмотрена возможность формирования либо 12 дифференциальных LVPECL (низковольтная положительная эмиттерно-связанная логика) выходов, работающих во всем диапазоне выходных частот, либо 24 несимметричных КМОП-выходов в диапазоне частот до 250 МГц.
На входы синхронизации DDS-синтезатора AD9958 (рис. 2) подается дифференциальный тактовый сигнал с выходов генератора AD9520. Синтезатор AD9958 программируется таким образом, чтобы на выходах первого (CH0) и второго канала (CH1) формировались сигналы с разной частотой – f 1 и f2 соответственно.
Регулировка амплитуды выходного сигнала осуществляется с помощью цифровых 10-разрядных перемножителей (на рис. 1 обозначены знаком ®), выходной код которых подается на входы данных ЦАП. Код управления амплитудой выходного сигнала (AMP/SAMP) формируется устройством управления (Timing and Control Logic). В результате на парафаз-ных выходах ЦАП IOUT и IOUT формируются противофазные токи гармонической формы. Изменяя код AMP/SAMP от 0 до максимального значения, можно поочередно “включать” или “выключать” выходы каждого канала. Так как на выходах ЦАП установлены дифференциальные каскады на полевых транзисторах (рис. 4), то при формировании в одном из каналов кода AMP/SAMP, равного нулю, транзисторы V1 и V2 этого канала оказываются закрытыми, что позволяет подключить в этот момент к нагрузке выходы второго канала синтезатора, в котором значение кода AMP/SAMP максимально. Поочередно переключая каналы, выходы которых подключены к общей нагрузке (трансформатор Т1 на рис. 2) можно формировать частотноманипулирован-ный фазовокогерентный сигнал.

Рис. 4. Функциональная схема выходного каскада ЦАП синтезатора AD9958
Сигнал, сформированный таким образом, показан на рис. 5 . Белым цветом обозначена осциллограмма исходного двоичного сигнала, зеленым и оранжевым – выходные сигналы первого и второго каналов синтезатора, а голубым – частотноманипулированный сигнал.

Рис. 5. Осциллограммы входного и выходных сигналов синтезатора AD9958
Компания Analog Devices выпускает четырехканальный синтезатор прямого цифрового синтеза типа AD9959, который имеет характеристики, аналогичные обеспечиваемым синтезатором AD9958:
• максимальная тактовая частота 500 МГц
• разрешающая способность установки:
♦ частоты – 32 бита
♦ фазы – 14 бит
♦ выходной амплитуды – 10 бит
• число разрядов выходных ЦАП – 10
• напряжение источника питания 1.8 В
для питания ядра и 3.3 В – для питания входного интерфейса
• последовательный интерфейс управления (SPI).

С помощью такого синтезатора можно построить более сложные устройства, например, генератор радиоимпульсов со сложной угловой модуляцией.
Когерентные сигналы гармонической формы несложно сформировать, используя двухканальные синтезаторы с ФАПЧ, например ADF4212L. Для этого достаточно применить в обоих синтезаторах один и тот же источник сигналов опорной частоты.
Когерентные сигналы прямоугольной формы можно формировать с применением выпускаемых компанией Analog Devices многоканальных тактовых генераторов.