Nghiên cứu đặc tính phổ và hàm tự tương quan của tín hiệu ra đa điều tần phi tuyến

Bài viết Nghiên cứu đặc tính phổ và hàm tự tương quan của tín hiệu ra đa điều tần phi tuyến phân tích những hạn chế trong xử lý tín hiệu dải rộng khi tăng độ rộng dải tần số điều chế của tín hiệu phát xạ nhằm cải thiện tính năng của các hệ thống ra đa.

Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Nghiên cứu đặc tính phổ hàm tự tương quan tín hiệu đa điều tần phi tuyến Vũ Chí Thanh1*, Bùi Chí Thanh2,Tạ Văn Tuấn2, Phùng Ngọc Anh2 Viện Ra đa/Viện KH-CN quân sự; Học viện PK-KQ * Email: thanhvch@gmail.com Nhận bài: 15/9/2022; Hoàn thiện: 17/11/2022; Chấp nhận đăng: 28/11/2022; Xuất bản: 23/12/2022 DOI: https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.FEE.2022.129-137 TÓM TẮT Nội dung báo phân tích hạn chế xử lý tín hiệu dải rộng tăng độ rộng dải tần số điều chế tín hiệu phát xạ nhằm cải thiện tính hệ thống đa Trên sở đề xuất biểu thức tốn học hàm điều tần phi tuyến (ĐTPT) tín hiệu phát xạ Kết khảo sát đặc tính phổ hàm tự tương quan tín hiệu ĐTPT với hàm điều chế đề xuất ưu điểm tín hiệu so với tín hiệu điều tần tuyến tính (ĐTTT) khắc phục tính đa trị đo cự li mục tiêu, tăng khả chống nhiễu cho hệ thống đa đại mà không cần yêu cầu cao cầu hình phần cứng hệ thống xử lý số tín hiệu Từ khóa: Điều tần phi tuyến; Điều tần tuyến tính; Điều pha ma-níp; Hàm tự tương quan; Tín hiệu dải rộng; Đặc tính phổ tín hiệu ĐẶT VẤN ĐỀ Xu hướng chung nhằm nâng cao tính hệ thống đa đại mở rộng dải tần số làm việc, sử dụng linh hoạt tín hiệu phát xạ dải rộng dải siêu rộng kết hợp với phương pháp xử lý tín hiệu đại dựa tảng công nghệ số [1, 2, 6] Ở thời điểm tại, hệ thống đa sử dụng tín hiệu phức tạp dải rộng (được điều pha ma-níp, điều tần tuyến tính liên tục hay rời rạc) nhằm nâng cao khả chống nhiễu, tăng cự li phát đáp ứng yêu cầu cao khả phân biệt độ xác đo tọa độ mục tiêu Điểm hạn chế sử dụng tín hiệu điều pha ma-níp, ĐTTT liên tục điều tần rời rạc mã Costas-Welch tồn búp phụ sau lọc nén q trình xử lý tương quan tín hiệu phản xạ Điều khơng dẫn đến tính đa trị sai số đo tọa độ mục tiêu mà cịn dễ bị đối phương trính sát tần số trình hoạt động đài đa dải tần điều chế giới hạn vài MHz [3, 4, 6] Giải pháp tăng dải tần số điều chế (dải tần siêu rộng) dẫn đến yêu cầu cao phần cứng thiết bị xử lý, dẫn đến tăng giá thành sản phẩm Giải pháp khác nhằm giảm mức búp phụ sau lọc nén xử lý trọng lượng kết hợp với thay đổi tham số hàm điều chế [6] Phương pháp xử lý trọng lượng làm tăng phức tạp thuật toán xử lý tín hiệu Để khắc phục hạn chế trên, báo đề xuất phương pháp sử dụng hàm điều chế tần số phi tuyến cấu trúc tín hiệu phát xạ hệ thống đa Nội dung báo nghiên cứu đặc tính phổ tính chất tự tương quan tín hiệu đa ĐTPT Kết nghiên cứu báo sở để tính tốn, sử dụng tín hiệu ĐTPT hệ thống đa đại tương lai MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ XỬ LÝ TÍN HIỆU RA ĐA DẢI RỘNG Nguyên lý chung xử lý tín hiệu đa dải rộng bao gồm: Trộn tần lọc để chuyển tín hiệu cao tần xuống tần số điều chế trung tần khuếch đại biên độ đủ lớn để tiếp tục xử lý; kỹ thuật biến đổi tương tự-số (AD) tín hiệu trung tần áp dụng theo nguyên lý “undersampling” thực giảm tần số mẫu sau AD nhằm tránh q tải tính tốn cho lọc nén; lọc nén tín hiệu theo thời gian, phát đo tham số tọa độ mục tiêu Trên hình đưa sơ đồ cấu trúc thuật toán xử lý tín hiệu đa dải rộng Các đài đa sử dụng cấu trúc tín hiệu điều pha ma- Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 12 - 2022 129 Điện tử – Vật lý – Đo lường níp điều tần tuyến tính có dải tần số trung tần từ 24-70MHz đầu vào AD, AD với tần số lấy mẫu (24-64MHz), độ rộng dải tần số điều chế xung (ΔF) không vượt 5MHz Vấn đề tăng ΔF cho phép cải thiện tính đài đa tăng khả phân biệt độ xác đo tọa độ mục tiêu, mức độ bí mật tần số nâng cao gây khó khăn cho việc trinh sát đối phương Hạn chế giải pháp tăng tăng ΔF yêu cầu cao cho thiết bị phần cứng thiết bị xử lý sử dụng AD có tần số lấy mẫu cao nhằm giảm tổn hao thơng tin tín hiệu có ích, thiết bị tính toán (bộ lọc nén tương quan, biến đổi FFT) phải có tốc độ đủ lớn Ngồi ra, cần có giải pháp khắc phục tính đa trị đo tọa độ mục tiêu xuất búp phụ sau lọc nén Giải pháp khắc phục báo đề xuất sử dụng tín hiệu ĐTPT Nội dung phần phần báo cho thấy ưu điểm tín hiệu ĐTPT dựa kết khảo sát đường bao phổ biên độ tính chất tự tương quan Trộn Tín hiệu cao tần thu Tín hiệu ngoại sai Lọc KĐ AD Giả m mẫ u Lọc nén Phá t hiệ n Đo tọa độ Tru yền số liệu Hình Sơ đồ cấu trúc thuật tốn xử lý tín hiệu dải rộng đa HÀM ĐIỀU CHẾ TẦN SỐ VÀ CẤU TRÚC TÍN HIỆU RA ĐA ĐIỀU TẦN PHI TUYẾN Biểu thức toán học hàm điều chế phi tuyến tần số dải siêu rộng tín hiệu phát xạ hệ thống đa giả thiết sau: f m f (t )  f o  , 0t T  T (1)  b t    2 1 e Trong đó, T - Độ rộng xung tín hiệu điều tần phi tuyến, f m - Dải tần số điều chế giới hạn, f o - Tần số mang thời điểm đầu xung tín hiệu, b - Hằng số đặc trưng cho tốc độ thay đổi tần số xung tín hiệu Tại thời điểm t  t  T giới hạn tần số xác định từ biểu thức 1: f dc  f o  f m bT , f dc max  f o  f m 1 e 1 e Độ rộng dải tần điều chế xung tín hiệu ĐTPT là: bT  bT (2)  bT f m (e  e ) F  f dc max  f dc  bT bT (3)    1  e 1  e     Biểu thức tốn học tín hiệu ĐTPT dải siêu rộng với hàm điều chế tần số theo biểu thức có dạng:   f mt  t  s1 (t )  a.rect   cos 2 f ot   T   b t    T    e    t Với a – Biên độ tín hiệu, rect  T 130 (4)   - Đường bao xung tín hiệu với độ rộng xung T  V C Thanh, …, P N Anh, “Nghiên cứu đặc tính phổ … tín hiệu đa điều tần phi tuyến.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Để so sánh đánh giá đặc tính phổ tính chất tự tương quan tín hiệu ĐTPT với tín hiệu ĐTTT, ta xét biểu thức tốn học tín hiệu ĐTTT với đường bao xung vuông mô tả biểu thức 5: t s2 (t )  a.rect   cos 2  f ot   t  (5) T  Với  hệ số điều tần tuyến tính đặc trưng cho tốc độ thay đổi tần số xung Trên hình đưa dạng hàm điều chế tần số tín hiệu ĐTTT ĐTPT tương ứng với giá trị hệ số “b” (b1=8x104, b2=5x104), Δfm=1000MHz, T=100µs, giá trị α tính theo F cơng thức   , đó, F xác định theo cơng thức T Hình Dạng hàm điều chế tần số KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH PHỔ VÀ TÍNH CHẤT TỰ TƯƠNG QUAN CỦA TÍN HIỆU RA ĐA ĐIỀU TẦN PHI TUYẾN Đặc tính phổ tính chất tự tương quan tín hiệu theo thời gian giữ chậm cho phép đánh giá khả chống nhiễu, tính đa trị, khả phân biệt, độ xác đo cự li mục tiêu đài đa Mật độ phổ tín hiệu tín hiệu s(t ) xác định biểu thức 6, đó, s(t ) xác định theo biểu thức Y ( )    s(t ).e  jt dt (6)  Hàm tự tương quan tín hiệu xác định biểu thức:   ( , F )   s(t )s(t   )e j 2 Ft dt  (7)   s(t ) dt  Trong đó, τ thời gian giữ chậm tín hiệu Tại giá trị F  , hàm tương quan theo thời gian giữ chậm kí hiệu  ( ,0) Theo nội dung trình bày phần báo, tính chất tự tương quan tín hiệu khảo sát sau biến đổi AD, đó,     AD , với Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 12 - 2022 131 Điện tử – Vật lý – Đo lường  AD  chu kì lấy mẫu biến đổi AD,  giá trị nguyên Như vậy, giá trị tự f AD tương quan  ( ,0) phụ thuộc vào  với  AD lựa chọn cụ thể a b c d Hình Đường bao phổ biên độ tín hiệu ĐTTT ĐTPT với Δfm=10MHz, fAD=64MHz a b d c Hình Đường bao phổ biên độ tín hiệu ĐTTT ĐTPT với Δfm=100MHz, fAD=64MHz 132 V C Thanh, …, P N Anh, “Nghiên cứu đặc tính phổ … tín hiệu đa điều tần phi tuyến.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Kết khảo sát đường bao phổ biên độ tín hiệu ĐTPT ĐTTT đầu vào/ra AD thể hình Hình 3.a,b 4.a,b đường bao biên độ chuẩn hóa phổ tín hiệu đầu vào AD, hình 3.c,d 4.c,d - đường bao biên độ chuẩn hóa phổ tín hiệu đầu AD Kết khảo sát hàm tự tương quan  ( ,0) tín hiệu ĐTTT tín hiệu ĐTPT đưa hình hình 5÷8 Các đường đồ thị nét liền tương ứng tham số khảo sát tín hiệu ĐTPT, nét đứt – ĐTTT Trong đó, hình 5.a,c÷8.a,c biểu thị dạng tổng thể hàm tự tương quan  ( ,0) , hình 5.b,d÷8.b,d biểu thị phần giá trị hàm tự tương quan  ( ,0) lân cận búp (  0) Giá trị tham số khảo sát thể bảng Bảng Tham số cấu trúc tín hiệu ĐTPT ĐTTT dải siêu rộng, f AD TT Tần số lấy mẫu AD f AD (MHz) Độ rộng dải tần điều chế ΔF(MHz) Dải tần số điều chế giới hạn Δfm (MHz) Độ rộng xung tín hiệu T (µs) 64 9.64028 10 100 8x104 964028x105 Hình 3.a.c 64 8.48284 10 100 5x104 848284 x105 Hình 3.b.d 100 964028 x10 Hình 4.a,c 848284 x10 Hình 4.b,d 64 96.4028 100 Hằng số điều chế Kết khảo sát α b 8x10 4 64 84.8284 100 100 5x10 64 44.22 100 100 19x103 4422x108 Hình 5.a,b 64 92.89 100 100 66x103 9289x108 Hình 5.c,d 64 221.12 500 100 19x103 22112x108 Hình 6.a,b 100 66x10 46443x10 Hình 6.c,d 44223x10 Hình 7.a,b 64 464.43 500 64 442.23 1000 100 19x10 10 64 928.86 1000 100 66x103 92886x108 Hình 7.c,d 11 64 4422.30 10000 100 19x103 442230x108 Hình 8.a,b 100 Hình 8.c,d 12 64 9288.58 a 10000 66x10 928858x10 b Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 12 - 2022 133 Điện tử – Vật lý – Đo lường c d Hình Dạng hàm tự tương quan tín hiệu ĐTTT ĐTPT với Δfm=100MHz, fAD=64MHz a b c d Hình Dạng hàm tự tương tín hiệu ĐTTT ĐTPT với Δfm=500MHz, fAD=64MHz 134 V C Thanh, …, P N Anh, “Nghiên cứu đặc tính phổ … tín hiệu đa điều tần phi tuyến.” Nghiên cứu khoa học công nghệ a b c d Hình Dạng hàm tự tương quan tín hiệu ĐTTT ĐTPT với Δfm=1000MHz, fAD=64MHz a b Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 12 - 2022 135 Điện tử – Vật lý – Đo lường c d Hình Dạng hàm tự tương quan tín hiệu ĐTTT ĐTPT với Δfm=10000MHz, fAD=64MHz Dựa trên kết khảo sát phần báo cho phép đưa số đánh giá: Khi giá trị dải tần số điều chế Δfm nhỏ (Δfm=10MHz), tần số lấy mẫu AD lớn (fAD=64MHz), đường bao phổ biên độ đầu vào/ra AD giống Đường bao biên độ phổ tín hiệu ĐTTT có tính đối xứng, tín hiệu ĐTPT khơng có tính dối xứng (hình 3) Tuy nhiên, khác xảy Δfm lớn fAD nhiều lần Điều giải thích hài bậc cao bị suy giảm mạnh sau biến đổi AD, tham số điều chế b, α tín hiệu sau biến đổi AD thay đổi dẫn đến phân bố lại đường bao phổ biên độ (hình 4) Búp phụ hàm tự tương quan theo thời gian giữ chậm tín hiệu ĐTTT dải tần số điều chế (Δfm=500MHz÷10GHz) mức lớn nhiều lần so với tín hiệu ĐTPT ngoại trừ vài giá trị lân cận búp tín hiệu ĐTPT, với Δf m nhỏ 500MHz mức búp phụ lớn -10dB so với búp tín hiệu ĐTTT ĐTPT Sự khác biệt hình dạng búp hàm tự tương quan cho tín hiệu khơng đáng kể ứng với giá trị điều chế b=19x103 Δfm lớn 500MHz Như vậy, chọn Δfm lớn 500MHz, sử dụng tín hiệu ĐTPT cho phép khắc phục tính đa trị mà đảm bảo khả khả phân biệt, độ xác đo cự li mục tiêu KẾT LUẬN Nội dung báo trình bày phương pháp nâng cao dải tần số điều chế đạt đến giá trị 10GHz tín hiệu phát xạ nhằm cải thiện tính hệ thống đa nhờ sử dụng tín hiệu ĐTPT Tần số lấy mẫu biến đổi tương tự-số lựa chọn 64MHz Kết khảo sát rõ ưu điểm trội tín hiệu ĐTPT mức búp phụ nhỏ nhiều lần so với tín hiệu ĐTTT, cho phép loại bỏ tính đa trị đo cự li mà đảm bảo khả phân biệt, độ xác đo tọa độ mục tiêu đa Ngồi ra, mơ hình cấu trúc tín hiệu đề xuất tránh yêu cầu cao cấu hình phần cứng xử lý tín hiệu, đảm bảo bí mật lượng, tần số tín hiệu phát xạ, nâng cao khả chống nhiễu đài đa Kết nghiên cứu báo cho thấy triển vọng ứng dụng tín hiệu ĐTPT hệ thống đài đa dải siêu rộng tương lai TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M Ghavami., L B Michael., R Kohno “Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering” London, May (2004) [2] J D Taylor, editor Ultra-Wideband Radar Technology CRC Press, (2001) [3] Ананьев А В., Безуглов Д А., Юхнов В И “Повышение помехоустойчивости применения узкополосных излучений радиосвязи на основе сигналов с внутриимпульсной частотной 136 V C Thanh, …, P N Anh, “Nghiên cứu đặc tính phổ … tín hiệu đa điều tần phi tuyến.” Nghiên cứu khoa học công nghệ модуляцией” Современные проблемы науки и образования № С 1-9, (2013) URL: http://www.science-education.ru/107-8209 [4] Бессонова Е В., Ирин В И “Уменьшение боковых лепестков автокорреляционной функции сложного уровня сигналов” Тр XV науч конф по радиофизике, ННГУ Нижний Новгород С.131-133, (2011) [5] Дудник П.И, Ильчук А.Р, Татарский Б.Г, “Многофункциональные радиолокационные системы” учеб пособие для вузов под ред Б Г Татарского М: Дрофа 283 с, (2007) [6] Трухачев А.А, “Радиолокационные сигналы и их применение” Уч М Венедат 320 с (2005) ABSTRACT Research of spectral characteristics and autocorrelation function of nonlinear frequency modulated radar signal The content of the article analyzes the limitations in wideband signal processing when increasing the modulation frequency band width of the emitted signal in order to improve the performance of radar systems On that basis, a mathematical expression is proposed for the nonlinear frequency modulation (NLFM) function of the emitted signal The results of surveying the spectral characteristics and autocorrelation function of the NLFM signal with the proposed modulation function show the advantages of this signal compared to the linear frequency modulation signal (LFM) such as overcoming the multi-value of measuring target distances, increasing anti-interference ability for modern radar systems without high requirements on hardware configuration of the digital signal processing system Keywords: Nonlinear frequency modulation; Linear frequency modulation; Manipulator phase modulation; Autocorrelation function; Wideband signal; Signal spectral characteristics Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 12 - 2022 137 ... α tính theo F cơng thức   , đó, F xác định theo cơng thức T Hình Dạng hàm điều chế tần số KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH PHỔ VÀ TÍNH CHẤT TỰ TƯƠNG QUAN CỦA TÍN HIỆU RA ĐA ĐIỀU TẦN PHI TUYẾN Đặc tính phổ. .. tốn xử lý tín hiệu dải rộng đa HÀM ĐIỀU CHẾ TẦN SỐ VÀ CẤU TRÚC TÍN HIỆU RA ĐA ĐIỀU TẦN PHI TUYẾN Biểu thức toán học hàm điều chế phi tuyến tần số dải siêu rộng tín hiệu phát xạ hệ thống đa giả thiết... Thanh, …, P N Anh, ? ?Nghiên cứu đặc tính phổ … tín hiệu đa điều tần phi tuyến. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ Kết khảo sát đường bao phổ biên độ tín hiệu ĐTPT ĐTTT đầu vào /ra AD thể hình Hình