Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Прямой цифровой синтез сложных широкополосных сигналов в задачах радиолокации, навигации и связи

Покупка
Артикул: 786734.01.99
Доступ онлайн
400 ₽
В корзину
Изложена современная теория цифрового синтеза частот и сигналов. Представлена классификация систем синтеза частот, методов формирования высококачественных ЧМ- и ФМ-сигналов. Приведены новые структуры цифровых вычислительных синтезаторов, построенных на базе метода прямого цифрового синтеза. Для студентов и магистрантов направлений «Радиотехника» и «Радиотехнические системы и комплексы», аспирантов, инженеров и разработчиков.
Рябов, И. В. Прямой цифровой синтез сложных широкополосных сигналов в задачах радиолокации, навигации и связи : монография / И. В. Рябов. - Йошкар-Ола : Поволжский государственный технологический университет, 2016. - 151 с. - ISBN 978-5-8158-1662-6. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1894644 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
И. В. РЯБОВ 

 
 
 

ПРЯМОЙ  ЦИФРОВОЙ  СИНТЕЗ   

СЛОЖНЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ  

В  ЗАДАЧАХ РАДИОЛОКАЦИИ,  

НАВИГАЦИИ И  СВЯЗИ 

 
 
 

Монография 

 
 
 
 
 
 
 

Йошкар-Ола 

ПГТУ 
2016 

УДК 621.396 
ББК  32.852.3 

Р 98 
 

Рецензенты: 

доктор физико-математических наук, профессор КНИТУ (КАИ) 

А. Ф. Надеев; 

доктор технических наук, профессор ПГТУ  

А. А. Роженцов; 

доктор физико-математических наук, профессор МарГУ  

А. Н. Леухин 

 
 
 
 
 
 
 
 
Рябов, И. В. 

Р 98         Прямой цифровой  синтез  сложных широкополосных  сигна-

лов в задачах радиолокации, навигации и связи: монография /  
И. В. Рябов. – Йошкар-Ола: Поволжский государственный техно-
логический университет, 2016. – 152 с. 
ISBN 978-5-8158-1662-6 
 

 Изложена современная теория цифрового синтеза частот и сигналов. 

Представлена классификация систем синтеза частот, методов формирова-
ния высококачественных ЧМ- и ФМ-сигналов. Приведены новые струк-
туры цифровых вычислительных синтезаторов, построенных на базе ме-
тода прямого цифрового синтеза. 

 Для студентов и магистрантов направлений «Радиотехника» и «Ра-

диотехнические системы и комплексы», аспирантов, инженеров и разра-
ботчиков. 
 
 
УДК 621.396 

 
ББК 32.852.3 

 
ISBN 978-5-8158-1662-6 
© Рябов И. В., 2016 

 
© Поволжский государственный 

 
технологический университет, 2016 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 

Предисловие  ................................................................................................. 5 

Введение  ....................................................................................................... 7 

Глава 1. МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ                 
ЧАСТОТ И СИГНАЛОВ  ........................................................................... 10 

1.1. Синтез частот в радиотехнике и электронике .......................... 10 
1.2. Классификация цифровых и аналоговых методов 
синтеза частот и сигналов ................................................................. 22 

 
Глава 2.  ТЕОРИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ  
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИНТЕЗАТОРОВ ПРЯМОГО 
ЦИФРОВОГО СИНТЕЗА  ......................................................................... 34 

2.1. Теория прямого цифрового синтеза сигналов .......................... 34 
2.2. Математические модели радиосигналов,  
применяемых в радиотехнике  .......................................................... 35 
2.3. Методы расширения спектра сигнала........................................ 37 
2.4. Метод прямого цифрового синтеза синусоидальных 
сигналов  .............................................................................................. 38 
2.5. Помехи, обусловленные генератором тактовой частоты ......... 41 
2.6. Шумы, связанные с усечением кода фазы ................................ 43 
2.7. Шумы, связанные с ограниченной разрядностью ЦАП   ......... 45 
2.8. Цифровые методы синтеза частот .............................................. 47 
2.9. Цифровые вычислительные синтезаторы прямого синтеза  
на основе цифровых накопителей ..................................................... 50 
2.10. Фазовые отклонения в синтезаторах ЛЧМ-сигналов ............. 55 

 
Глава 3. РАЗРАБОТКА НОВЫХ СТРУКТУР ЦИФРОВЫХ  
СИНТЕЗАТОРОВ ЧАСТОТ И ЦИФРОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ 
СИНТЕЗАТОРОВ НА БАЗЕ МЕТОДА ПРЯМОГО ЦИФРОВОГО 
СИНТЕЗА  ................................................................................................... 57 

3.1. Цифровые синтезаторы частот  .................................................. 58 
3.2. Цифровой синтезатор частот на основе цифровых 
накопителей кодов   ............................................................................ 59 
3.3. Цифровой синтезатор частот на основе умножителя  
кодов  ................................................................................................... 63 
3.4. Цифровой синтезатор c быстрой перестройкой 
рабочей частоты .................................................................................. 67 
3.5. Цифровой синтезатор частот с полиномиальным           
законом изменения фазы (частоты)  ................................................. 72 

3.6. Рекурсивный цифровой синтезатор частот  .............................. 75 
3.7. Цифровой синтезатор частотно-модулированных  
сигналов  .............................................................................................. 80 
3.8. Цифровой синтезатор  фазомодулированных  сигналов  ......... 83 
3.9. Цифровой синтезатор частотно-модулированных  
сигналов  .............................................................................................. 86 
3.10. Цифровой синтезатор частот с расширенным  
частотным диапазоном  ...................................................................... 91 
3.11. Цифровой  вычислительный  синтезатор  ............................... 93 
3.12. Цифровой синтезатор для формирования сигналов  
многочастотной телеграфии .............................................................. 97 
3.13. Цифровой синтезатор двухуровневых сигналов ..................... 99 
3.14. Цифровой синтезатор частот с коммутацией  
фазовых отсчетов ............................................................................. 102 
3.15. Цифровой синтезатор многофазных сигналов ..................... 104 
3.16. Цифровой синтезатор  
частотно- и фазомодулированных сигналов ................................. 108 
3.17. Синтезатор с V-образным законом иодуляции  
частоты  ............................................................................................ 110 

 
Глава 4. АНАЛИЗ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК  
ВЫХОДНЫХ КОЛЕБАНИЙ ЦИФРОВЫХ СИНТЕЗАТОРОВ  
ЧАСТОТ  ..................................................................................................  113 
 
Глава 5.  ПРИМЕНЕНИЕ  ЦИФРОВЫХ  СИНТЕЗАТОРОВ  
ЧАСТОТ И СИГНАЛОВ В ЗАДАЧАХ РАДИОСВЯЗИ   
И  РАДИОЛОКАЦИИ ............................................................................. 122 

5.1. Цифровые синтезаторы как узлы  
адаптивной системы связи  ............................................................. 122 
5.2. Базовая станция дистанционного зондирования  
атмосферы  ....................................................................................... 127 
5.3. Построение АЧХ и ДЧХ .......................................................... 134 
5.4. Применение цифровых синтезаторов частот 
в телевизионной и измерительной технике  .................................. 134 

 
Заключение  .............................................................................................. 138 
 
Библиографический список  ................................................................... 139 
 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 

Теория синтеза частот и сигналов, базирующаяся на основных 

методах линейной и нелинейной радиотехники и теории автомати-
ческого управления, за последние десятилетия выделилась в отдель-
ную научную дисциплину. 

Роль систем синтеза частот (синтезаторов частот), которым в 

основном посвящена данная монография, в современных радиотех-
нических системах (РТС) все более возрастает, так как прецизион-
ность параметров формируемых ими колебаний обеспечивает высо-
кие точностные характеристики РТС. 

Дисциплину «Синтезаторы частот» изучают только в некото-

рых вузах России (например, в КАИ). В основном, как правило, она 
входит в качестве раздела в дисциплины «Радиопередающие 
устройства». Однако специальной литературы по данному направ-
лению явно недостаточно. Актуальные вопросы проектирования 
современных цифровых вычислительных синтезаторов рассмотре-
ны в журнальных статьях, не всегда доступных широкому кругу 
студентов, бакалавров, магистрантов, аспирантов, инженеров и 
разработчиков. 

В данной монографии изложены основные разделы теории циф-

ровых синтезаторов частот и сигналов, построенных на базе метода 
прямого цифрового синтеза. 

В первой главе рассмотрены общие вопросы терминологии, 

классификации систем синтеза частот. Описаны методы формирова-
ния высококачественных частотно-модулированных (ЧМ) сигналов. 

Вторая глава посвящена теоретическим основам метода прямого 

цифрового синтеза и моделированию основных узлов ЦВС. 

В третьей главе приведены новые структуры цифровых вычис-

лительных синтезаторов и цифровых синтезаторов с расширенными 
функциональными возможностями, высоким быстродействием, ма-
лым шагом сетки частот и высокой линейностью закона изменения 
частоты.  

В четвертой главе показаны примеры использования цифровых 

синтезаторов в адаптивной системе связи, в базовой станции ди-
станционного зондирования атмосферы Земли. Сформулированы 
требования к цифровым вычислительным синтезаторам: по мини-
мальной тактовой частоте, диапазону рабочих частот, быстродей-
ствию, шагу сетки частот, уровню амплитудных и фазовых шумов. 
Проведен компьютерный анализ спектральных характеристик коле-
баний, формируемых цифровыми синтезаторами. 

В заключении сформулированы основные выводы. 
Автор выражает глубокую признательность доктору техниче-

ских наук, профессору ННГТУ Н.П. Ямпурину, профессору КНИТУ 
(КАИ) В.В. Болозневу за консультации, а также рецензентам: докто-
ру технических наук, профессору ПГТУ А.А. Роженцову, доктору 
физико-математических наук, профессору МарГУ А.Н. Леухину, 
доктору физико-математических наук, профессору КНИТУ (КАИ) 
А.Ф. Надееву за ценные замечания и советы, позволившие улучшить 
изложение материала в книге. 

 
 

ВВЕДЕНИЕ 

 

Последние годы характеризуются возрождением интереса к ра-

диотехнологиям, бурным развитием средств радиолокации, навига-
ции и связи. Одним из основных функциональных узлов современ-
ных радиосистем являются системы синтеза частот, поэтому задача 
формирования высокостабильной сетки частот крайне актуальна при 
построении многих радиосистем, поскольку стабильность парамет-
ров синтезируемых ими колебаний обеспечивает высокие техниче-
ские характеристики радиотехнических систем (РТС). 

Развитие радиоэлектронной и микропроцессорной техники поз-

воляет в настоящее время создавать диагностическую аппаратуру со 
сложными частотно-модулированными и амплитудно-фазоманипу-
лированными сигналами, обладающую высокой разрешающей спо-
собностью, устойчивой помехозащищенностью, хорошей электро-
магнитной совместимостью, малыми масс-габаритными характери-
стиками и энергопотреблением, по сравнению с традиционными ме-
тодами исследований, основанными на использовании простых им-
пульсных сигналов. 

Авторитетные научные эксперты министерств обороны России 

и США считают, что быстродействующие интегральные цифровые 
вычислительные синтезаторы (ЦВС) с тактовыми частотами около 
100 ГГц, малым шагом по частоте (доли Гц) и малым временем пе-
реключения с одной частоты на другую на 99 % удовлетворят по-
требности радиотехнических систем различного назначения. 

Такие достоинства ЦВС как технологичность, надежность, 

устойчивость к воздействию дестабилизирующих факторов, экстре-
мально малое время переключения частот при перестройке частоты, 
преемственность фазы формируемых колебаний, способность фор-
мирования сложных широкополосных сигналов, возможность пол-
ной микроминиатюризации, удобный дружественный интерфейс, 
хорошая повторяемость параметров при тиражировании уже сегодня 
позволили существенно повысить технико-экономические показате-
ли многих РТС. 

Важнейшими тенденциями развития систем связи и радиолока-

ции являются освоение более высоких частот и переход к использо-
ванию сложных широкополосных сигналов для создания новых пер-
спективных радиотехнических систем с повышенной помехоустой-
чивостью. 

Сложные сигналы широко применяются во многих областях 

техники: радиолокации, навигации и связи. Использование сложных 
сигналов в радиолокации обеспечивает высокую разрешающую спо-
собность одновременно по дальности и по скорости, в радиосвязи 
позволяет повысить  помехозащищенность и устойчивость связных 
систем, в навигации – повысить точность позиционирования по-
движных и неподвижных объектов. 

Исторически так сложилось, что первыми из сложных сигналов 

стали применяться радиосигналы с линейной частотной модуляцией 
(ЛЧМ), которые обладают определенными преимуществами перед 
другими сложными сигналами: возможностью достижения большой 
девиации частоты и значительной скорости перестройки; сравни-
тельной простотой изменения формы огибающей ЧМ сигнала и ско-
рости частотной модуляции для улучшения параметров сжатого сиг-
нала; простотой оценки, измерения и коррекции искажений.  

ЛЧМ-сигналы используются в качестве базовых при формиро-

вании непрерывных ЧМ-сигналов треугольной, пилообразной фор-
мы, либо сигналов с V-, M- образной ЧМ [28]. Эти сигналы, при 
надлежащем выборе их параметров, обеспечивают высокую разре-
шающую способность по дальности и скорости, сохраняя при этом 
все достоинства сигналов с линейной частотной модуляцией  [14]. 

Основы теории и техники методов синтеза частот, заложенные 

зарубежными исследователями (А. Боли, В. Кроупом, Б. Гоулдом, 
Дж. Тирнеем, Р. Хоскиным, Н. Купером, Ваккой), успешно разраба-
тывались видными российскими учеными: В.В. Шахгильдяном,  
И.Н. Гуревичем, М.И. Жодзишским, В.Н. Кочемасовым и др. Весо-
мый вклад в это направление внесли исследователи нижегородской 
школы синтеза частот: Ю.И. Алехин, Ю.К. Богатырев, В.И.Логинов, 
С.С. Сухотин, С.Я. Шишов, В.С. Станков, Н.П. Ямпурин. 

Вопросам формирования и исследования ЛЧМ-сигналов посвя-

щены работы Ч. Кука, Д. Бернфельда [28], К. Кэпьюти, Ч. Кибблера, 
а также Л.Т. Варакина [4], Д.Е. Вакмана [3], И.С. Гоноровского [8], 
С.И. Баскакова, М.Е. Лейбмана, Я.Д. Ширмана [34], М.И. Жодзиш-
ского [50], В.Н. Кочемасова [27], В.В. Шумаева [14], В.А. Иванова 
[14] и др.  

В настоящее время разработаны основные принципы построе-

ния цифровых синтезаторов частот (ЦСЧ) и цифровых вычислитель-
ных синтезаторов (ЦВС), построенных на базе метода прямого циф-
рового синтеза. Однако на сегодняшний день отсутствует строгая 
классификация систем синтеза частот (ССЧ), недостаточно исследо-
ваны предельные возможности ССЧ по быстродействию (диапазону 
синтезируемых частот и скорости перестройки) и «чистоте спектра» 
формируемых колебаний. Развитие ССЧ в настоящее время идет в 
основном в рамках известных структурных схем по пути их инте-
гральной реализации, технологического повышения быстродей-
ствия, снижения энергопотребления и стоимости. 

Наряду с этим большое значение имеет поиск новых способов 

повышения качественных показателей ЦВС и ЦСЧ. В первую оче-
редь это относится к быстродействию и «чистоте спектра» формиру-
емых колебаний, так как именно эти параметры остаются неудовле-
творительными для ряда практических применений. 

В представленной монографии рассмотрены пути расширения 

функциональных возможностей цифровых вычислительных синтеза-
торов и цифровых синтезаторов частот, повышения их быстродей-
ствия и «спектральной чистоты» формируемых сигналов, снижения 
уровня амплитудных и фазовых шумов.  

 
 

Глава 1

МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ

ЧАСТОТ И СИГНАЛОВ

 
 
 

1.1. Синтез частот в радиотехнике и электронике 

 

Синтезом частот называют процесс формирования одного 

или нескольких стабильных по частоте периодических колебаний 
с заданными номинальными значениями частоты. Эти колебания 
синтезируются из одного или нескольких опорных (исходных) 
колебаний путем различных преобразований. Источник опорного 
колебания именуют опорным генератором (ОГ), а его частоту – 
опорной частотой. 

Технические устройства, которые осуществляют синтез ча-

стот, называют системами синтеза частот (ССЧ) [47].  Синте-
затор частот – это ССЧ, конструктивно оформленная в виде 
функционально законченного устройства (блока, узла, платы, мо-
дуля, микросхемы). Если в ССЧ используется несколько опорных 
частот, ее считают многоопорной. Если все выходные частоты 
синтезированы из одного исходного колебания, то ССЧ – одно-
опорная. В таких синтезаторах точность и стабильность выход-
ных частот определяются опорным генератором. 

 

1.1.1. Классификация методов синтеза частот 

 
Возможность получения высокостабильных колебаний в 

определенном диапазоне частот была реализована в тридцатые 
годы прошлого столетия. Благодаря промышленному освоению 
производства изделий пьезокварцевой техники – резонаторов, 

фильтров, генераторов – тогда удалось разработать радиостан-
ции, обеспечивающие бесподстроечную связь. 

Первый метод кварцевой стабилизации в диапазоне частот 

был предложен в 1936 г. Г.А. Зейтленком и впоследствии был 
назван методом прямой интерполяции [47]. Колебания кварцево-
го генератора опорной частоты и интерполяционного LC-
генератора, плавно перестраиваемого в диапазоне от fmin до fmax , 
поступают на балансный смеситель. 

На выходе смесителя включен перестраиваемый полосовой 

фильтр, выделяющий продукты преобразования в интервале от  
f0-fmin до f0+fmax. Относительная нестабильность колебаний на вы-
ходе синтезатора f оказывается тем ниже, чем больше отноше-
ние f0/fг , где fг – частота LC-генератора. При смене  кварцевых 
резонаторов удавалось сделать диапазон перестройки довольно 
большим. Однако существенным недостатком метода прямой ин-
терполяции было наличие на выходе устройства большого числа 
побочных продуктов преобразования, в первую очередь интен-
сивных составляющих вида  f0  2fг ,  f0  3fг. 

Дальнейшее повышение требований к стабильности частоты 

колебаний и «чистоты спектра» способствовало созданию диапа-
зонных гетеродинов приемников и возбудителей передатчиков, 
перестраиваемых не плавно, а дискретно – ступенями с шагом 
Δfc. Так, в сороковые годы стали применяться устройства диапа-
зонно-кварцевой стабилизации частоты, построенные по принци-
пам: кварц-волна, прямого преобразования, методом гармоник. 

В ССЧ, построенных по методу кварц-волны [47], синтезиру-

емая частота образуется суммой частот нескольких кварцевых 
генераторов с переключаемыми кварцевыми резонаторами: 

      













n

i

n
f
m
n
f
f
k
f
f
ε
if
if
cf

1

Δ
0
...
2
Δ
20
1
Δ
o
,                  (1.1) 

где fiо – начальное (низшее) значение частоты; 

Δfi – приращение (шаг настройки) частоты кварцевых резона-

торов,  коммутируемых переключателем Si, 

i, k, l, m – целые постоянные числа. 
Если k, l, m могут изменяться от 0 до 9, а отношение прира-

щений 

i

i
f
f


1  кратно десяти, то реализуется декадный принцип 

установки частоты на выходе цифрового синтезатора. 

В подобном синтезаторе неточности настройки кварцевых 

резонаторов, нестабильности частот кварцевых генераторов вно-
сят аддитивный вклад в выходной сигнал. И поскольку колебания 
отдельных кварцевых генераторов некоррелированы между со-
бой, метод кварц-волна относят к некогерентным методам. 

Отличительная черта когерентного синтеза – формирование 

всех выходных колебаний из одного – опорного колебания, со-
здаваемого высокостабильным кварцевым (или квантовым) гене-
ратором. 

Метод прямого преобразования используют, когда необхо-

димо получить сравнительно небольшое число выходных частот 
[24]. При этом синтезатор состоит из умножителей и делителей 
частоты, смесителей и полосовых фильтров, настроенных на раз-
ные частоты. Такие ССЧ позволяют одновременно синтезировать 
несколько колебаний с разными частотами. 

Метод гармоник предполагает, что на выходе ССЧ присут-

ствует колебание лишь одной из множества возможных частот 
[25]. Выходная частота кратна частоте опорного генератора. Ос-
новным элементом такой ССЧ является селектор гармоник, со-
стоящий из генератора гармоник, формирующий из гармониче-
ского колебания последовательность коротких прямоугольных 
импульсов, и узкополосного фильтра, настроенного на требуе-
мую гармонику. 

Фильтр может быть пассивным или активным. Перестраива-

емые узкополосные пассивные фильтры целесообразно использо-

Доступ онлайн
400 ₽
В корзину