УСТРОЙСТВО ФАЗОВОЙ КАЛИБРОВКИ МНОГОКАНАЛЬНОГО ПРИЕМНИКА
DEVICE FOR PHASE CALIBRATION OF MULTICHANNEL RECEIVER

Предлагаемое изобретение относится к области радиоприемных устройств, в частности к устройствам калибровки и компенсации фазовых нестабильностей приемных трактов, и может быть использовано в многоканальных приемных устройствах фазовых пеленгаторов с цифровой обработкой сигналов.
Точность и однозначность определения пеленга в многобазных фазовых пеленгаторах, включающих в себя несколько антенн и соответствующее число приемных трактов (каналов), существенно зависит от степени фазовой идентичность каналов. Фазовая разноканальность широкодиапазонных пеленгаторных СВЧ-приемников даже при простейшей структуре (преобразователь - ПУПЧ - УПЧ - фазоизмеритель) имеет величину до 20°-30°; для более сложных приемников с многократным преобразованием частоты, особенно при использовании сверхвысокой промежуточной частоты и узкополосной фильтрации, фазовая разноканальность может составлять 60°-100° и более.
Для устранения или существенного уменьшения влияния фазовой разноканальности на точность и однозначность пеленгования используются различные методы и схемы калибровки и фазовой компенсации приемных каналов. Так как величина фазовой неидентичности различна для разных пар каналов и изменяется при перестройке в частотном диапазоне и при изменении внешних условий, калибровка должна производиться для всех приемных каналов и на всех частотах и периодически обновляться.
Распространенным способом калибровки является периодическая перекрестная коммутация приемных каналов с проведением измерений фазовых соотношений принимаемого по разным каналам сигнала при каждом положении коммутатора. Принципы и варианты технической реализации такого способа калибровки описаны в технической, в том числе патентной литературе. Недостатком калибровки трактов по принимаемому сигналу является пониженное быстродействие, так как точное определение пеленга производится лишь после приема сигнала при всех положениях коммутатора. При этом необходимо иметь непрерывный прием сигнала в течение всего цикла калибровки. Моноимпульсное пеленгование сигнала, необходимое, например, при разведке РЛС с быстрой перестройкой несущей частоты, при таком методе калибровки не может быть обеспечено. В связи с этим в быстродействующих пеленгаторах калибровку и выравнивание фазовых характеристик каналов производят по контрольному пилот-сигналу, периодически подаваемому на входы приемника на всех частотах в процессе перестройки приемника; фазовую подстройку каналов при этом производят с помощью управляемых фазовращателей (или линий задержки), включенных в приемные тракты. Для управления используются выходные сигналы фазоизмерителя соответствующей пары каналов, поступающие во время калибровки на схему управления фазовращателем (электрическую или электромеханическую - в зависимости от типа фазовращателя). Такое построение схемы калибровки описано в заявках на способ и устройство выравнивания фазовых (фазочастотных) характеристик каналов РЛС соответственно. (Изобретательские предложения по радиоэлектронике, серия "Радиолокация и радионавигация", вып.5, 1971), а также в патенте (акц. заявке) ФРГ №1541673, принятом за прототип. Следует заметить, что такие схемы выравнивания фазовых характеристик приемных каналов широко применяются не только в пеленгаторах с многоэлементными антенными системами, но и в других радиотехнических устройствах, в частности, в приемных трактах допплеровских РЛС. Техническое выполнение этих схем в различных устройствах отличается отдельными деталями, но сохраняет общность с принятым в прототипе - фазовращатель в приемном тракте и схема управления им, на вход которой подается сигнал рассогласования от фазоизмерителя.
Таким же образом выполнена схема регулировки электрической длины тракта в цифровом радиопеленгаторе по пат. США №3806937, устройство для выравнивания фазовых характеристик подканалов приемника допплеровского радиолокатора по пат. ФРГ №1258924, схема управления фазой сигнала когерентного гетеродина в РЛС по пат. ФРГ №2141589, а также схемы коррекции и подавления помех в системах СДЦ допплеровской РЛС по пат. США №3715711 и №3742500, где фазовый сдвиг осуществляется с помощью генератора или фазовращателя с цифровым управлением от сигнала рассогласования.
Недостатком таких схем фазовой коррекции и выравнивания применительно к многоканальному перестраиваемому пеленгаторному приемнику является значительное усложнение схемы приемника - для n-канального приемника требуется n управляемых фазовращателей, устанавливаемых в каждом радиочастотном тракте (по высокой или промежуточной частоте) и столько же схем управления; выполнение управляемых фазовращателей также сопряжено с известными техническими трудностями, особенно для широкополосных трактов. Другим недостатком известной схемы калибровки является некоторое понижение быстродействия и пропускной способности приемника (пеленгатора) при работе в режиме поиска по частоте. Так как калибровку и коррекцию при этом необходимо производить в процессе перестройки для каждого положения по частоте, а процесс измерения разностей фаз пилот-сигнала и выравнивания фазовых характеристик всех каналов на каждой из частот настройки занимает некоторое время, относительное время нахождения приемника в рабочем режиме (приема и пеленгования сигналов) уменьшается. Это и обуславливает снижение быстродействия и пропускной способности.
Целью предложения является устранение этих недостатков, т.е. повышение быстродействия, а также упрощение и унификация построения схемы калибровки и коррекции в многоканальном пеленгаторном приемнике с цифровыми фазоизмерителями.
Указанная цель достигается тем, что в устройство фазовой калибровки n-(много)канального приемника со схемой частотной перестройки каналов на q положений, нагруженного на m цифровых фазоизмерителей, содержащее связанный со схемой частотной перестройки хронизатор калибровки и соединенные с ним последовательно генератор пилот-сигнала и разветвитель на n каналов, выходы которого подключены ко входам приемника, введены матрица оперативной памяти объемом от m до m×q слов, m коммутаторов на два положения и m сумматоров, причем информационные (сигнальные) входы матрицы через коммутаторы подключены к выходам фазоизмерителей, один управляющий вход матрицы подключен к хронизатору, а другой - к схеме частотной перестройки, выходы матрицы подключены к сумматорам, другие входы которых соединены со вторыми выходами соответствующим коммутаторов, а управляющие входы коммутаторов подключены к хронизатору калибровки.
В предлагаемой схеме фазовая коррекция производится, по существу, с непосредственным использованием самого сигнала рассогласования (фазовой неидентичности), причем коррекция осуществляется не в цепях, предшествующих фазоизмерителям, а по их выходам; при этом исключается необходимость применения управляемых фазовращателей и схем управления ими.
Сущность предложения поясняется последующим описанием состава и работы устройства и прилагаемой блок-схемой (фиг.1).
1, 2 … m
1, 2 … m
1, 2 … m
1, 2 … m
Ко входам многоканального (содержащего n каналов) приемника (МКП) 1, соединенного с первым выходом схемы частотной перестройки (СЧП) 2 и нагруженного на m цифровых фазоизмерителей (Ф) 3, подключены выходы многоканального (на n каналов) разветвителя (МКР) 4, вход которого соединен с выходом источника пилот-сигнала (ИПС) 5. Хронизатор калибровки (ХК) 6 соединен со вторым выходом схемы частотной перестройки 2 и имеет три выхода, первый из которых подключен ко входу источника пилот-сигнала 5, второй - к управляющим входам m коммутаторов на два выхода (К) 7, сигнальные входы которых подключены к выходам соответствующих фазоизмерителей 3, а третий выход хронизатора подключен к первому управляющему входу матрицы оперативной памяти (МОП) 8, сигнальные входы которой подключены к первым выходам коммутаторов 7, а второй управляющий вход - к третьему выходу схемы частотной перестройки 2. Выходы матрицы 8 подключены ко входам m сумматоров кодов коррекции (С) 9, другие входы которых соединены со вторыми выходами соответствующих коммутаторов (К) 7.
Порядок работы устройства следующий.
<mrow><mfrac><mi>n</mi><mn>2</mn></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
В процессе работы пеленгатора (заключающейся в обнаружении и пеленговании сигналов разведуемых РЛС) производится циклический поиск по частоте перестройкой приемника 1, осуществляемой с помощью схемы частотной перестройки 2. МКП 1 включает в себя n приемных трактов, каждый из которых состоит, например, из смесителя, ПУПЧ и УПЧ; при этом схема частотной перестройки будет представлять собой перестраиваемый или переключаемый на q положений по частоте гетеродин с устройством управления (модуляции или переключения). При выполнении приемника по схеме прямого усиления в его составе будет n частотно-избирательных элементов, перестраиваемых (электрически или механически) управляющим сигналом от СЧП 2. Периодически, через установленный интервал времени калибровки (задаваемый, например, как определенное число циклов частотной перестройки), хронизатор калибровки 6 вырабатывает управляющий сигнал на включение источника пилот-сигнала 5, управление m коммутаторами 7 и на осуществление операций перезаписи кодов фазовой коррекции в матрице оперативной памяти 8. Источник пилот-сигнала на q частот может представлять собой, например, схему аналогичную предложенной в прототипе (со смещением текущей частоты гетеродина на величину промежуточной частоты); МОП 8 включает в себя до m×q элементов памяти (например, в виде регистров) с адресной схемой управления записью и считывания. Контрольный сигнал от ИПС-5 поступает на многоканальный разветвитель 4, n выходов которого подключены к n входам МКП-1, (например, через направленные ответвители или с помощью вспомогательных коммутаторов). При этом разность фаз сигналов на входах МКР 4 имеет определенное (предпочтительно - нулевое) значение на каждой из q частот настройки приемника. Контрольный пилот-сигнал проходит через n приемных трактов калибруемого приемника 1 и поступает на входы m цифровых фазоизмерителей 3, формирующих коды разностей фаз пилот-сигнала, прошедшего через соответствующие пары приемных трактов. Число фазоизмерителей m зависит от структуры пеленгатора и принятой в нем степени избыточности (определяемой требованиями к точности и надежности), и может составлять от n-1 до
. Коды разностей фаз с выходов фазоизмерителей 3 поступают на входы соответствующих им коммутаторов 7, выходы которых на время калибровки управляющим сигналом от ХК 6 подключены ко входам МОП 8. Выработанные фазоизмерителями 3 коды разностей фаз пилот-сигнала на выходах различных попарных сочетаний каналов приемника 1 равны (при нулевой разности фаз пилот-сигнала на входах приемника) значениям фазовых неидентичностей соответствующих пар каналов в данной точке частотного диапазона.
В матрице 8 по управляющим сигналам ХК-6 и СЧП 2 производится обнуление строки из m ячеек памяти, соответствующей данному положению настройки приемника по частоте, и запись в эти ячейки кодов фазовых неидентичностей. По истечении времени калибровки управляющий сигнал от ХК-6 выключает ИПС 5 и переводит коммутаторы 7 в другое состояние, подключая этим выходы всех фазоизмерителей 3 ко входам соответствующих им сумматоров 9. Принятые в течение рабочей части цикла сигналы разведуемых РЛС от антенной системы поступают на n входов приемника 1 и проходят по n приемным трактам, где они селектируются по частоте и усиливаются, а также приобретают дополнительные фазовые сдвиги, обусловленные фазовой неидентичностью каналов (трактов) и различные для разных пар каналов. Значения результирующих разностей фаз сигнала на выходах разных пар каналов и формируемых в фазоизмерителях 3, соответствующих этим значениям кодов, представляют собой алгебраические суммы истинных фазовых сдвигов сигнала, определяемых направлением (пеленгом) на источник излучения, и дополнительных сдвигов за счет фазовой неидентичности каналов.
С выходов фазоизмерителей 3 эти коды через коммутаторы 7 поступают на входы сумматоров 9, на другие входы которых из МОП 8 постоянно поступают с обратным знаком коды фазовых неидентичностей соответствующей пары каналов, записанные в ячейках памяти МОП 8 в предыдущем интервале времени калибровки.
В результате суммирования (вычитания) кодов разности фаз сигнала на выходах приемника с кодами фазовых неидентичностей на выходах сумматоров коррекции 9 образуются коды разности фаз сигнала, "очищенные" от дополнительных фазовых сдвигов и соответствующие истинным разностям фаз сигнала на входах приемника. Описанная последовательность работы устройства калибровки повторяется в каждом положении настройки приемника по частоте, при этом управляющий сигнал от СЧП 2 подключает к сигнальным входам и выходам матрицы 8 другую строку элементов памяти, соответствующую данному положению по частоте (одному из q возможных).
Выработанные и запомненные таким образом в течение одного цикла перестройки и калибровки коды коррекции ввиду относительно медленного характера уходов характеристик приемника в процессе работы могут использоваться в течение, по крайней мере, нескольких минут, т.е. нескольких десятков и сотен циклов поиска по частоте. После этого хронизатор калибровки вновь включает ИПС-5 и производится следующий цикл перестройки и калибровки приемника. Однако, вследствие того, что время калибровки (формирования и записи кода коррекции), равное единицам мксек, занимает пренебрежимо малую часть от необходимой величины рабочего времени приема на каждой частоте настройки (это время определяется характеристиками разведуемых сигналов и составляет обычно не менее нескольких мсек), практически без всякого ущерба для вероятности разведки и быстродействия возможно производить описанную выше процедуру калибровки в каждом цикле частотного поиска. Это позволяет ограничиться всего одной строкой элементов памяти (регистров) в матрице 8 (число фазоизмерителей m обычно не превосходит 4-6, в то время как число частотных градаций q составляет несколько десятков или сотен). В некоторых случаях пилот-сигнал используется также для контроля и регулировки других элементов приемника и последующих устройств обработки пеленгатора (выравнивания коэффициентов усиления, проверки схем анализа и обработки сигналов и др.); при этом суммарное время калибровки и проверки на каждой частоте соизмеримо с рабочим временем. В этих случаях может оказаться целесообразным использование матрицы оперативной памяти с неминимальным объемом, в пределе - до m×q слов, хотя путем рациональной организации циклов калибровки и работы, а также укрупнения раздельно корректируемых частотных участков (о чем упоминалось выше), как правило, удается ограничиться объемом матрицы, существенно меньшим максимального.
Полезный технико-экономический эффект от применения предложения заключается, с одной стороны, в существенном упрощении устройства фазовой калибровки и коррекции, выполняемого согласно предложению, по сравнению с известными; и, с другой стороны - в повышении быстродействия и точности калибровки, что улучшает качественные показатели пеленгаторного приемника в целом.
Упрощение выполнения устройства калибровки и, как следствие этого, повышение надежности и снижение стоимостных и временных затрат в производстве и при эксплуатации изделия достигается за счет исключения необходимости применения значительного количества (по числу каналов) таких относительно сложных в разработке и производстве (настройке) элементов и узлов, как управляемые фазовращатели на промежуточные или входные частоты (30-100 МГц или в диапазонах сотен и тысяч МГц, соответственно) и схемы управления (в частности, с электромеханическим приводом, как в прототипе). Введенные согласно предложению в состав устройства калибровки узлы (коммутаторы, регистры памяти, сумматоры) выполняются на базе типовых серийных элементов дискретной техники, просты в изготовлении и практически не требуют каких-либо настроек и регулировок. Затраты на разработку и изготовление этих узлов меньше, чем для используемых в прототипе (и других аналогичных технических решениях) в несколько раз (ориентировочно в 5-10 раз), что с учетом части затрат по этим узлам относительно всего устройства калибровки в целом дает сокращение стоимости и трудоемкости разработки и изготовления устройства примерно в 1,5-2 раза.
Повышение быстродействия и точности при предлагаемом построении обеспечивается тем, что исключается влияние инерционности и погрешности установки и отработки используемых в прототипе (и других аналогах) фазовращателей и схем управления.
Отработка сигнала рассогласования в известных схемах обычно производится путем последовательного приближения настройки фазовращателей к искомому положению и требует подачи на входы приемника хотя бы нескольких импульсов контрольного пилот-сигнала, имитирующего реальный сигнал по несущей частоте и параметрам модуляции, в то время как в предлагаемой схеме сигнал коррекции формируется всего по единичной посылке пилот-сигнала.
Точность калибровки повышается за счет того, что в предлагаемой схеме для коррекции фазовой неидентичности используется, по существу, сам сигнал рассогласования, а не результат действия управляемых этим сигналом элементов подстройки приемного тракта, что всегда сопряжено с дополнительными погрешностями в связи с наличием зоны нечувствительности автоподстройки и неточностью настройки, в частности, за счет дискретности изменения фазы в фазовращателях с цифровым управлением.
Полезный эффект от повышения быстродействия и точности фазовой калибровки и коррекции заключается в улучшении качественных показателей поискового пеленгаторного приемника, в котором используется предложение, таких как время и вероятность обнаружения и точность пеленгования. Степень улучшения этих показателей зависит от конкретных задач и условий работы пеленгатора в целом и от его конструктивного выполнения, в частности от величины базы антенной системы. Для конкретного случая применения предлагаемого устройства в пеленгаторе с базой обычных для фазовых пеленгаторов аппаратуры радиотехнической разведки размеров (несколько длин волн), при величине суммарной фазовой неточности установки и отслеживания, свойственной известным методам и устраняемой при предложенном построении схемы, до 5-8 фазовых градусов, погрешность пеленгования снижается на величину от 0,2°÷0,3° до 0,6°÷0,8°, что составляет не менее 10%÷20% от полной погрешности пеленгования, определяемой суммарным воздействием мешающих факторов.
Таким образом, технико-экономический эффект от применения предложения может быть охарактеризован такими показателями, как снижение стоимостных и временных затрат при разработке и изготовлении устройства калибровки на 30%-50% и повышение точностных характеристик системы, в которой используется предлагаемое устройство, на 10%-20%.