Контрольные вопросы

1. Поясните связь между угловой, фазовой и частотной модуляцией или манипуляцией.

2. В чём состоит противоречие между требованиями к ЧМ сигналам для повышения качества передачи информации и уровнем помех другим РЭС?

3. Сопоставьте варианты формирования ЧМ сигналов со стабильной средней частотой.

4. Как можно снизить требования к девиации фазы при использовании способа косвенной ЧМ?

5. Как используется в модуляторах устройство управляемой временной задержки?

6. Как осуществляется быстрая ЧМ в цифровых синтезаторах?

7. Как увеличить девиацию частоты в цифровых синтезаторах ЧМ сигнала?

8. Как выбираются параметры системы ФАПЧ при формировании ЧМ сигнала со стабильной средней частотой?

9. Как формируется сигнал с экспоненциальной ЧМ?

10. Как измеряются отклонения от заданных параметров ЧМ сигнала?

11. Как измерить фазовые ошибки сигнала со сложным законом ЧМ?

12. Как исключить возможность катастрофического сбоя результатов измерений ошибок по методу фазовой дискретизации?

13. Как выбираются параметры цепи обратной связи в системе автоматической подстройки параметров модуляции?

14. Сопоставьте варианты формирования сигналов с двухуровневой фазовой манипуляцией.

15. Как меняется форма сигнала ФМ-2 на выходе резонансного усилителя?

16. Как формировать сигнал с минимальной модуляцией частоты без разрыва фазы?

Глава 7. Формирование сложных и сверхширокополосных сигналов

7.1. Классификация сложных сигналов

Необходимость формирования с высокой точностью сложных электрических сигналов негармонической формы возникает при проведении испытаний и тестовых измерений характеристик электромеханических и электронных устройств, в технике формирования изображений, при синтезе звуков, при создании скрытных средств передачи информации и др.

Сложные сигналы характеризуются большим значением базы В = WT – произведения занимаемой полосы частот W на длительность T. К ним относятся, с одной стороны, сигналы квазигармонической формы с модуляцией (манипуляцией) параметров - амплитуды, фазы и/или частоты, когда полоса частот модуляции сравнима со средней частотой модулируемого колебания. С другой стороны, сложными называют периодические (или квазипериодические, период которых изменяется медленно) сигналы, имеющие заметно негармоническую форму на каждом периоде. Для этой группы сигналов их спектральная плотность мощности (СПМ) по Фурье представляет собой совокупность нескольких сравнительно узких частотных полос, соответствующих гармоникам частоты повторения, так что основная энергия сигнала сосредоточена в полосе большой относительной ширины. В последнее время расширяется применение одиночных сложных сигналов, в которых не выявляется квазипериодичность: их спектр Фурье занимает непрерывную широкую полосу частот [33], а такой класс сигналов относят к сверхширокополосным (СШП). Сложные сигналы перспективны в плане расширения использования в информационно ёмких системах. Исследования показывают значительные возможности систем передачи и извлечении информации, основанных на таких сигналах: если использовать технику СШП сигналов, то можно повысить потенциал радиолокационной станции на (150…200) дБ и реализовать либо распознавание деталей объектов, в том числе затенённых в сложной среде металлическим корпусом, либо значительно повысить помехозащищённость и энергетическую скрытность системы передачи информации.

В большинстве радиотехнических приложений используются квазигармонические сигналы, имеющие несущую частоту f_нес. Они также могут относиться к сложным сигналам, если они имеют большую базу . В таком случае иногда в литературе их называют широкополосными. На несущей частоте такие радиосигналы отличает малое значение параметра относительной широкополосности  = W/f_нес << 1, а информационная широкополосность проявляет себя после преобразования полосы частот с несущей на промежуточную частоту. Сверхширокополосные (СШП) сигналы не имеют явно выраженной несущей частоты и в спектральном плане характеризуются нижней f_ниж и верхней f_верх граничными частотами. Для них вводят вместо несущей среднюю частоту как полусумму граничных частот.

Сложный сигнал s(t) произвольного вида характеризуется [12] количеством бит информации, которыми описывается функция s(t). Для сложных квазигармонических сигналов база В примерно совпадает с количеством бит информации в сигнале.

Выделяют группы сигналов, которые занимают промежуточное положение между узкополосными квазигармоническими и сложными сигналами общего вида. Среди них:

а) многочастотные сигналы, являющиеся суммой нескольких гармонических;

б) периодические сигналы стандартной негармонической формы – треугольной, пилообразной, прямоугольной формы, в том числе периодические последовательности импульсов;

б) периодические сигналы нестандартной формы – синусквадратные, ступенчатые, линейно-ломаные, гладкие;

в) квазипериодические сигналы сложной негармонической формы, например, формируемые музыкальными инструментами.

Для многочастотных сигналов высшие гармоники составляют погрешности формирования. Их амплитудный спектр Фурье содержит несколько узких частотных полос и предъявляются дополнительные требования к выбору и постоянству фазовых соотношений между этими частотными компонентами. Характерной особенностью сигналов, относящихся к группам б), в) и г) является особая структура их спектра Фурье, в которой, помимо достаточно узкой спектральной полосы в окрестности частоты повторения F_повт имеется заметное количество (до 10…30) частотных полос с кратными частотами. В число основных характеристик таких сигналов, кроме размаха и частоты повторения, включают оценки нестабильности частоты повторения, характеристики погрешностей формы колебания или оценки его тембра в случае музыкальных звуков.

Сигналы выделенных групп не являются квазигармоническими и поэтому применительно к ним, как и к сложным сигналам общего вида, надо уточнять условия применения терминов «амплитуда», «фаза», «частота», которые были исходно введены [30] для гармонических сигналов.

Один из подходов может состоять в использовании преобразования Гильберта (см. п. 1.2), которое искусственным приёмом дополнения действительного сигнала s(t) до комплексного аналитического сигнала z(t) создаёт однозначно определённые амплитуду, фазу и частоту. Однако для сверхширокополосных сигналов (СШП), имеющих параметр широкополосности  > 1, амплитуда, найденная преобразованием Гильберта, содержит погрешности, пропорциональные перекрытию спектров Фурье такого сигнала для положительных и для отрицательных частот. Подобные погрешности возникают и при использовании для СШП сигналов понятий «текущая фаза» и «текущая частота» по Гильберту.

Более корректным является использование вместо «амплитуды» термина «размах сигнала между пиками». Если можно найти период Т₀ такого сигнала как интервал времени, через который последовательность переходов сигнала через нуль повторяется, то можно говорить о частоте его повторения F₀ =1/Т₀, а в качестве фазы принять выраженную в радианах долю этого периода, отсчитываемую от определённого перехода через нуль. Именно так поступают, например, в случае периодической последовательности коротких импульсов, характеризуя разность фаз двух таких последовательностей с одинаковой частотой.

Технические устройства синтеза (формирования) сигналов выделенных групп можно разделить на три класса: 1) представление сложного сигнала суммой нескольких простых сигналов; 2) использование порождающей динамической системы; в) аппроксимация сложного сигнала совокупностью простых на частичных отрезках по времени. Ниже они рассмотрены подробнее.