Теперь вернемся к сигналу, частота которого изменяется во время передачи. Мысленно разобьем его на три части и будем приближенно считать, что каждый из трех получившихся отрезков имеет свою собственную частоту. Теперь надо найти устройства, в которых скорость распространения сигналов с различными частотами была бы разной. Радиотехникам такие устройства известны. Это дисперсионные линии задержки. Линиями задержки их называют потому, что на прохождение таких схем сигналу требуется больше времени, чем на прохождение обычных проводников или участка безвоздушного пространства. Сигналы как бы задерживаются в этих элементах. А дисперсионными их называют потому, что сигналы с различными частотами задерживаются в них по-разному: одни побольше, другие поменьше. Именно это свойство мы и используем.
Подберем такие характеристики линии задержки, чтобы отрезки сигнала с разными частотами, поступающие на вход линии один за другим, на выходе появлялись бы одновременно. Для этого надо первым поставить отрезок сигнала, у которого скорость распространения в линии задержки минимальна, а последним — отрезок с максимальной скоростью. Тогда за время прохождения линии задержки отрезки подтянутся друг к другу и сигнал существенно укоротится. Величина сжатия определяется значением базы сигнала: если она равна ста, то сигнал на выходе линии задержки будет приблизительно в сто раз короче. Еще эффективнее предположить, что база сигнала равна ста тысячам, тогда сигнал на выходе укоротится в сто тысяч раз. Вот это уже впечатляет!
Итак, сигнал укоротился. Но энергия сигнала за исключением небольших потерь в линии задержки, осталась той же. Следовательно, его амплитуда должна резко возрасти. Попробуйте перелить воду из широкой, но мелкой тарелки в высокий узкий стакан. Видите, насколько уровень воды в стакане выше уровня воды в тарелке? То же самое происходит и с нашим сигналом после его сжатия. Сигнал существенно поднимется над уровнем помех, и надежность его обнаружения значительно повысится.
Мы рассмотрели сигнал с изменяющейся частотой, который специалисты называют частотно-модулированным сигналом (всеобщее стремление к сокращениям привело к сжатию этого термина до ЧМ сигнала). Но, конечно, это не единственный вид сложного сигнала, который можно сжать в согласованном фильтре. Можно, оказывается, и не изменять частоту сигнала во время передачи, а достаточно время от времени изменять фазу одной и той же несущей частоты. Правда, изменять фазу надо не как попало, а по определенному закону.
Посмотрите на шеренгу зеленых новобранцев, которыми командует бравый офицер. На верхнем рисунке все новобранцы стоят лицом к офицеру. Будем считать, что они находятся по отношению к нему «в фазе». Если какая-то неведомая сила повернет их на 180 градусов и они окажутся к нему спиной, то в этом случае будем считать, что новобранцы по отношению к нам в противофазе. Историки утверждают, что для придворных некоторых монархов «попадание в противофазу» по отношению к владыке влекло за собой смертную казнь. Ну не будем так непримиримы. Вот офицер подает команду: «Кругом!» Для старослужащих выполнение этой команды не представляет никакого труда. Но ведь перед нами зеленые новобранцы. Как видите, мы получили довольно беспорядочный строй (не будем по некоторым соображениям приводить оценку такого построения офицером. Тем более, что нас оно вполне устраивает).
А теперь на место каждого новобранца поставьте отрезок синусоидального колебания”. Если взять отдельный короткий импульс (один солдат), то его спектр будет довольно широким, но база такого сигнала будет невелика. Если все импульсы находятся в фазе (стройная шеренга на верхнем рисунке), то получается непрерывная синусоида большой длительности с узкой полосой частот и опять-таки небольшой базой. А теперь рассмотрим хаотическое расположение отдельных импульсов в общем сигнале (нижний рисунок). В этом случае из-за отсутствия согласования фаз соседних импульсов спектр сигнала будет широким, а длительность (равная сумме длительностей всех импульсов) довольно большой. Поэтому база всего сложного сигнала резко возрастет. Так, например, база сигнала, состоящего из ста отдельных импульсов, будет в сто раз больше базы каждого из них.
Отсутствие видимой симметрии в распределении фаз импульсов необходимо для лучшего качества сжатия. Чтобы осуществить укорочение такого сигнала, нужно задержать отрезки сигнала, пришедшие первыми, затем изменить фазы всех отрезков так, чтобы они совпали, и сложить эти отрезки. Задержку ранее пришедших отрезков, как и в первом случае, выполняет линия задержки, изменение фазы — фазовращатели, а сложение сфазированных отрезков — схема сложения (сумматор). Но если линия задержки для ЧМ сигналов должна иметь всего один вход и один выход, то линия задержки, применяемая для обработки сигналов с изменяющейся фазой (фазоманипулированных, сокращенно ФМ сигналов), имеет много выходов. Длина линии задержки должна быть такой, чтобы сигнал полностью размещался в ней. Для каждого отрезка сделан собственный выход. Отрезок сигнала, поступивший первым, медленно проходит всю линию задержки. Отрезок, расположенный в середине сигнала, пройдет только половину линии. А последний отрезок совсем не задерживается. Каждый из них дойдет до своего выхода, они одновременно выйдут из линии задержки и поступят на схему сложения. Если фаза отрезка нас устраивает (скажем 0 градусов), то на этом выходе фазовращатель не нужен. Если фаза противоположная, то ставим фазовращатель, который изменит ее до нужного значения. Вот мы и получили: все отрезки находятся в фазе и появляются одновременно. Значит, на выходе схемы сложения сигнал укоротится, а амплитуда его возрастет. Эффект тот же, что и для ЧМ сигнала.
Если отрезки попытаются выйти через другие выходы, то несимметрично расположенные фазовращатели будут поворачивать фазы отрезков как попало и на схему сложения поступит примерно одинаковое число отрезков с противоположными фазами, а сумма двух отрезков с противоположными фазами практически равна нулю. Поэтому и суммарный сигнал будет невелик. Именно для этого и нужна кажущаяся хаотичность взаимного расположения отрезков с разными фазами. Лишь в том случае, когда отрезки сигнала попадают в предназначенные для них выходы, мы получаем мощный сжатый сигнал. Все сигналы, у которых закон расположения отрезков с разными фазами не совпадает с выбранным нами законом, не будут сжаты в линии задержки, и выходной сигнал будет невелик. Согласование фильтра, построенного на основе такой линии задержки, с ФМ сигналом достигается расположением фазовращателей, в точном соответствии с размещением противофазных отрезков в сигнале.
Вот в общих чертах объяснение того, как сжимают длинный сигнал в согласованных фильтрах радиолокационных приемников. Этим мы достигаем сразу несколько целей. Во-первых, сигнал стал заметнее среди шумов, во-вторых, он значительно укоротился, а это, как мы уже знаем, повышает разрешающую способность радиолокационной станции.
Теоретически степень улучшения характеристик станции пропорциональна величине базы сигнала. Но чем больше база сигнала, тем сложнее его внутренняя структура. Например, фазоманипулированный сигнал с базой 1000 должен состоять из 1000 отдельных отрезков, фазы которых распределены по заданному закону. Но трудно создать фильтр, согласованный с таким сигналом. В настоящее время самый распространенный метод построения таких фильтров основан на использовании линий задержки с отводами, на каждом из которых должен стоять фазовращатель. Значит, нужно сделать 1000 отводов с линией задержки, разместить на них примерно 500 фазовращателей (около половины отрезков будет иметь фазу, которую не нужно изменять) и разработать довольно сложную схему сложения 1000 отдельных отрезков сигналов.