Многоканальный частотный дискриминатор трехсантиметрового диапазона

Зикий А.Н. Zikiy A.N.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, кафедра «Информационная безопасность телекоммуникационных систем» Институт компьютерных технологий и информационной безопасности, ФГАОУ ВО «Южный федеральный университет», Россия, г. Таганрог

Зламан П.Н. Zlaman Р.К

ведущий инженер-конструктор Научно-конструкторское бюро «Моделирующие и управляющие системы», ФГАОУ ВО «Южный федеральный университет», Россия, г. Таганрог

УДК 621.396.6

МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ЧАСТОТНЫЙ ДИСКРИМИНАТОР ТРЕХСАНТИМЕТРО-

По приемникам обнаружения радиосигналов опубликовано значительное количество монографий, учебников, учебных пособий, статей, патентов. Однако исследования по приемникам обнаружения сигналов продолжаются в связи с совершенствованием элементной базы, усложнением сигнально-поме-ховой обстановки, появлением новых алгоритмов обнаружения. Значительный вклад в развитие этого направления техники внесли отечественные ученые Дятлов А.П., Даниленко А.И., Евдокимов Ю.Ф., Евдокимов О.Ю., Клименко П.П., Корниенко В.Т. и др.

Статья направлена на экспериментальное исследование важной составной части приемника обнаружения сигналов - частотного дискриминатора.

Рассмотрен многоканальный частотный дискриминатор амплитудного типа. Приведены функциональная и принципиальная схемы. Кратко описаны элементная база и конструкция. Предложена аппроксимация амплитудно-частотных характеристик и алгоритм измерения несущей частоты. Представлены методика и результаты экспериментального исследования частотного дискриминатора частот 8-12 ГГц. Описанный частотный дискриминатор используется в широкополосной системе обнаружения сигналов.

В качестве результатов эксперимента представлены:

- амплитудно-частотная характеристика грубой шкалы;

- амплитудно-частотная характеристика шкалы средней точности;

- амплитудно-частотная характеристика точной шкалы;

- амплитудно-частотная характеристика канала обнаружения;

- отношение АЧХ грубых каналов;

- отношение АЧХ каналов средней точности;

- отношение АЧХ точных каналов.

Комбинирование амплитудно-частотных характеристик позволяет:

- устранить постоянную составляющую на выходе детектора;

- получить нормированные АЧХ, слабо зависящие от амплитуды входного сигнала.

Ключевые слова: частотный дискриминатор, амплитудный детектор, приемник обнаружения сигналов, амплитудно-частотная характеристика, алгоритм оценки несущей частоты, методика и результаты эксперимента.

ВОГО ДИАПАЗОНА

THREE-SENTIMETRE RANGE MULTI-CHANNEL AMPLITUDE FREQUENCY

DISCRIMINATOR

There is lot of published monographs, tutorials, articles, patents about radio signal detection receiver. However, research of radio signal detection receivers are still in progress because of improvement of element base, complication of signal and jamming situation, development of new detection algorithms. The considerable contribution on research of the area of the engineering was made by domestic scientists Dyatlov A.P., Danilenko A.I., Evdokimov U.F., Evdokimov O.U., Klimenko P.P., Kornienko V.T. and at alias.

The main objective of the article is the experimental research of the important component of signal detection receiver - a frequency discriminator.

A multi-channel amplitude type frequency discriminator is considered. Function and schematic diagrams are presented. Component base and design are described shortly. The Approximation of amplitude-frequency characteristic and the measurement algorithm of the carrier frequency are proposed. The procedure and the result of experimental research of the frequency discriminator of 12-18 GHz frequency range are presented. Described frequency discriminator has been applied in wideband signal detection system.

As results of the experiment:

- an amplitude-frequency characteristic of the crude scale;

- an amplitude-frequency characteristic of the scale of accuracy in the mean;

- an amplitude-frequency characteristic of the precision scale;

- an amplitude-frequency characteristic of the detection channel;

- an amplitude-frequency characteristics ratio of the crude channels;

- an amplitude-frequency characteristics ratio of the channels of accuracy in the mean;

- an amplitude-frequency characteristics ratio of the precision channels.

The combining of the amplitude-frequency characteristics makes it possible:

- to remove a dc component on the detector output;

- to obtain normalized amplitude-frequency characteristics weakly dependent from the amplitude of the input signal.

Keywords: frequency discriminator, amplitude detector, signal detection receiver, amplitude-frequency characteristic, estimation algorithm of carrier frequency, procedure and result of experiment.

Для обнаружения радиосигналов и точного измерения несущей частоты часто используются широкополосные частотные дискриминаторы (ЧД) автокорреляционного типа [1], а также и другие типы дискриминаторов [2-5].

Автокорреляционные частотные дискриминаторы обладают рядом недостатков. Среди них:

- необходимость жесткого ограничения амплитуды на входе, что затруднительно реализовать в сантиметровом и миллиметровом диапазоне волн;

- повышенный уровень шумов из-за высокого коэффициента усиления в ограничителе;

- ограничение длительности обрабатываемых импульсов снизу, связанное с длительностью задержки в автокорреляционном ЧД;

- чувствительность к фазовым искажениям сигнала, возникающим при ограничении, задержке и других преобразованиях сигнала.

Частотный дискриминатор амплитудного типа лишен этих недостатков, поэтому объектом исследования в данной работе выбран он. Однако в известной литературе этому типу дискриминатора

уделено значительно меньше внимания, чем автокорреляционному. В книге [3] только упоминается этот тип дискриминатора без детального его описания. Поэтому целью настоящей работы является исследование основных характеристик частотного дискриминатора амплитудного типа. Описанный ЧД рекомендуется использовать в широкополосной аппаратуре обнаружения сигналов [1-3],[18-20].

К частотному дискриминатору предъявляются следующие требования:

• диапазон рабочих частот 8-12 ГГц;

• вероятность наложения двух импульсов с разными частотами близка к нулю;

• минимальная длительность импульсов 0,1

мкс;

• среднеквадратическая погрешность измерения несущей частоты импульсных сигналов не более 80 МГц;

• масса и габариты минимальные;

• число шкал - 3;

• ЧД должен иметь канал обнаружения с максимально плоской АЧХ.

В соответствии с этими требованиями была дискриминатора, показанная на рисунке 1. разработана функциональная схема частотного

Делитель Модулятор мощности

Модуляция

Гребенчатые фильтры

Вход СВЧ A -ж-

Детекторы

Выходы точного

Л

Выходы грубого

Л

Л

гз С 7V

X А ' / \

Выходы канала >- средней точности

Выход канала

обнаружения

->

Рисунок 1. Функциональная схема частотного дискриминатора

Частотный дискриминатор функционально состоит из трех частей: точного дискриминатора, грубого дискриминатора и дискриминатора средней точности. Каждый дискриминатор имеет два выхода:

а) выход «подъем», на котором амплитудно-частотная характеристика имеет наибольшее ослабление радиочастоты в начале диапазона и наименьшее ослабление в конце диапазона;

б) выход «спад», на котором наклон амплитудно-частотной характеристики имеет противоположный знак.

При этом, АЧХ обоих выходов грубого дискриминатора пересекаются в середине диапазона, а АЧХ обоих выходов точного дискриминатора периодически (3 5 раз) пересекаются и изменяют знак в пределах определенных участков АЧХ грубого дискриминатора. Таким образом, радиосигнал, поступающий с выхода усилителя-ограничителя на вход грубого и точного частотного дискриминатора, появляется на выходах частотных дискриминаторов в определенных амплитудных соотношениях. При этом, отношение амплитуд сигнала на выходах грубого дискриминатора указывает на участок частотного диапазона, а отношение амплитуд на выходах точного дискриминатора указывает на значение радиочастоты сигнала в пределах этого

участка. Для большей точности определения частоты вводится дополнительный канал - канал средней точности АЧХ которого дважды пересекается в пределах диапазона и имеет максимум или минимум характеристики (в зависимости от выхода) в середине диапазона. Принципиальная схема ЧД приведена на рисунке 2.

Частотный дискриминатор состоит из pin-диодного модулятора (выключателя) на входе, двух делителей мощности, четырех направленных ответвителей, семи детекторов и десяти шлейфов. СВЧ часть модулятора выполнена на двух pin диодах типа 2А553 [9]. Цепь управления модулятора содержит элементы L1, L2, R1. Делители мощности выполнены равноплечими по трехкольцевой схеме. Направленные ответвители выполнены одноступенчатыми и соединены последовательно друг с другом. Детекторы на диодах V5, V6 формируют точную шкалу. Детекторы на диодах V7, V8 формируют шкалу средней точности. Детекторы на диодах V3, V4 формируют грубую шкалу. Детектор на диоде V9 является сверхширокополосным с равномерной АЧХ и описан ранее в работе [6]. Транзисторный детектор для этой цели не годится по причине недостаточной широкополосности [7]. Шлейфы W4, W5 обеспечивают периодичность точной шкалы, а рези-

сторы R11, R13 - остроту резонансов. Шлейфы W8. средней точности, а резисторы R18, Я25, Я26, И28 -W9, W10, W11 обеспечивают периодичность шкалы остроту резонансов.

Рисунок 2. Принципиальная схема ЧД

Дискриминационную характеристику точной шкалы можно аппроксимировать следующим выражением:

где и1, и2 - напряжения на выходах детекторов точной шкалы; и3 - напряжение на выходе канала обнаружения; К - коэффициент, обеспечивающий

условие нормировки: ТП (IX

f - текущая частота; ^ - начальная частота; Лf -частотный интервал, равный половине периода

косинусоиды.

Алгоритм работы многоканального ЧД представляет собой функцию, обратную дискриминационной характеристике. При обращении функции (1) учтена её периодичность. Кроме того, отдано предпочтение разбиению аргумента на участки, соответствующие монотонности функции (1).

Рисунок 3. Дискриминационная характеристика ЧД для точной шкалы

Тогда алгоритм работы многошкального ЧД имеет вид:

I = /н +

где /х - оценка несущей частоты; п - номер полупериода косинусоиды, задействованного на данном шаге измерений, может принимать значения от 1 до птах (см. ниже), вычисляемая п с помощью грубой шкалы; Ш - выход первого детектора точного канала; и2 - выход второго детектора точного канала; из - выход детектора канала обнаружения; к - коэффициент, обеспечивающий условие нормировки.

Операция вычитания (Ш-и2) позволяет устранить постоянную составляющую на выходах детекторов, получить под знаком а1гат знакопеременную

Вычисление п

\ из

величину ненормированной амплитуды. Операция U1-U2'

деления

позволяет получить нормиро-

ванное значение синуса в пределах от минус 1 до плюс 1.

Операции вычитания и деления осуществляются в ПЛИС после аналого-цифрового преобразования величин и1, и2, из. Чаще всего эти операции вычисляют заранее и в ПЛИС прошивают готовую таблицу результатов.

где n - номер рабочего участка; nmax - максимальное значение номера рабочего участка; U4, U5 - напряжения на выходах детекторов грубой шкалы; U3 - напряжение на выходе детектора канала обнаружения; entire - целая часть числа.

Выражение (4) чаще всего реализуют в виде таблицы, записанной в ПЗУ ПЛИС.

Из-за технологических ограничений не удалось реализовать дискриминационные характеристики грубой шкалы, близкие к идеальным, поэтому была введена ещё шкала средней точности. Равномерное квантование по уровню сигнала грубой шкалы было заменено на квантование неравномерное, что снизило ошибки.

ЧД размещён на подложке из поликора размером

48х60х0,5 мм, которая запаяна в корпус рамочного типа. Конструирование и технология изготовления ЧД использовались традиционные, описанные в литературе [10-14].

Детекторные диоды выбраны типа 2А131А-3 [9] без подбора на идентичность. Входной соединитель типа СРГ50-751 ФВ [14]. Выходы детекторов выполнены в виде изоляторов ИСПП-1а-250-3. Особенности построения и экспериментальные характеристики амплитудного детектора описаны в работе [6].

Экспериментальное исследование ЧД проводилось на установке, структурная схема которой приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Структурная схема измерительного стенда

В качестве источника сигнала использован генератор СВЧ сигналов E8267D фирмы Agilent [16]. В качестве индикатора выходного сигнала использован цифровой осциллограф типа TPS-2012 фирмы Tektronix. Импульсная модуляция входного сигнала обеспечивалась генератором видеоимпульсов Г5-54 и внутренним модулятором ЧД (диоды V1, V2).

Для усиления слабых импульсов с выходов детекторов и подачи смещения на них был использован видеоусилитель собственной разработки. Измерение частотных характеристик каналов проводилось в диапазоне 8,0-12,0 ГГц с шагом 50 МГц. Результаты измерений представлены графически на рисунках 5-8.

¡ к:

ПН 'Т/У*

ЫЙ1Э

fBIJ H

Ii Л J.l: г lili

ИМ

1" ЛЧ1

№

Рисунок 5. Канал обнаружения

ВЕЙ

а "

¿4QQ

ara ЗЙЖ ИМ

-

/

-

J'tiD V

Hill m

_

- —^

№

К Ê3I ïi Xi) Ш Г/Л,

Tsv il: iut iSlH iû*ii йй k.lj |[J6 llíí ил JHÏSÎ tftlî tJJ

Рисунок 6. Грубые каналы

Рисунок 8. Точные каналы

На рисунке 5 можно видеть практически идеальную АЧХ канала обнаружения (диод У9). На рисунке 6 сплошная кривая показывает изменение напряжения на детекторе У3, а пунктирная кривая - на детекторе У4. На рисунке 7 сплошная кривая даёт частотную зависимость напряжения на выходе детектора У7, а пунктирная кривая - на выходе детектора У8. Рисунок 8 сплошная кривая иллюстрирует частотную зависимость напряжения на выходе детектора У5, а пунктирная кривая - на

выходе детектора У6. Для устранения зависимости частотных характеристик от мощности входного сигнала, уменьшения влияния большого КСВН на монотонность кривых АЧХ, в приемнике используется отношение двух сигналов, т. е. -^; ] .

Такие кривые, полученные расчетным путем, изображены на рисунке 9 и 10.

и

UJtt

ai на х 11» IT.J |(И l.t

ьм 5 — li.i

ID

tn

«

ill t

n> a j ii> A

1

1

\

h —ч— Р

\

•

1 _

1- -

\

— " " * ..... _

S X1L X41 № № OUI »¿S 3.17 tffi Ш |BJ (ffijl 1С Л ](If]: II U II 39 II 56 II lî 4*

£

(JHî

Рисунок 9. Отношение грубых каналов и каналов средней грубости

и

I!

г

I-

— — _

\ N

S ! h« I1-Щ m HT t'f tu PI) M U 1,-11 Л II!--,!. L |> IID 14 II" L1 LJt

г

Ht

Рисунок 10. Отношение точных каналов

Заключение.

1. Цель данной работы достигнута - исследован трехшкальный частотный дискриминатор трехсантиметрового диапазона, отвечающий предъявленным требованиям.

2. Предложена аппроксимация амплитудно-частотных характеристик.

Список литературы

1. Дятлов А.П. Корреляционная обработка широкополосных сигналов в автоматизированных

3. Разработан алгоритм измерения несущей частоты.

4. Получены экспериментальные данные, позволяющие выбрать микросхемы для анало-гово-цифрового преобразования и цифровой обработки сигналов на выходе частотного дискриминатора.

комплексах радиомониторинга [Текст]/ А.П. Дятлов, Б.Х. Кульбикаян. - М.: Горячая линия -Телеком. 2013. - 332 с.

2. Tsui J.B. Microwave receivers with electronic warfare application [Text]/ J.B. Tsui. - N.Y: John Wiley & Sons, 1986. - 460 p.

3. Wiley R.G. Electronic Intelligence. The Interception of Radar Signals [Text]/ R.G. Wiley Dedham, MA: Artech House, 1985. - 284 p.

4. Василенко В.Э. Экспериментальное исследование приемника мгновенного измерения частоты [Текст]/ В.Э. Василенко, Б.Д. Дикарев, А.Н. Зикий, И.А. Сальный // Известия ЮФУ. Серия Технические науки. - 2008. - №3. - с. 168-171.

5. Бровченко С.П. Функциональная математическая модель автокорреляционного частотного дискриминатора [Текст]/ С.П. Бровченко, И.И. Пивоваров //Электронная техника. Сер. СВЧ техника. - 1993. - №5-6. - с. 30-37.

6. Бутков В.П. Сверхширокополосный детектор [Текст]/ В.П. Бутков, А.Н. Зикий, П.Н. Зламан // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2014. - т.10. - №2.- с. 111-116.

7. Беляев Д.В. Экспериментальное исследование транзисторного детектора СВЧ [Текст]/ Д.В. Беляев, А.Н. Зикий, К.Е. Румянцев // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2006. - №2. - с. 54-57.

8. Баландин В.С. и др. Перспективы развития приемных устройств систем РЭБ [Текст]/ В.С. Баландин и др. // Зарубежная радиоэлектроника. - 1987. - №12. - с. 78-92.

9. Полупроводниковые приборы. СВЧ диоды. Справочник [Текст]/ под ред. Б.А. Наливайко. -Томск, Mm «РАСКО», 1992.

10. Справочник по расчету и конструированию микрополосковых устройств [Текст]/ под ред. В.И. Вольмана. - M.: Радио и связь, 1982. -328 с.

11. Бушминский И.П. Технология гибридных интегральных схем СВЧ. Учебное пособие [Текст]/ И.П. Бушминский, Г.В. Mорозов. - M.: Высшая школа, 1980. - 285 с.

12. Красов В.Г. Толстопленочная технология в СВЧ микроэлектронике [Текст]/ В.Г. Красов, Г.Б. Петраускас, Ю.С. Чернозубов. - M.: Радио и связь, 1985. - 168 с.

13. Справочник по элементам полосковой техники [Текст]/ под ред. А.Л. Фельдштейна. - M.: Связь, 1979 - 336 с.

14. Грачев А.А. Конструирование электронной аппаратуры на основе поверхностного монтажа компонентов [Текст]/ A.A. Грачев, A.A. Mельник, Л.И. Панов. - M.: НТ-Пресс, 2006. - 384 с.

15. Джуринский К.Б. Миниатюрные коаксиальные радиокомпоненты для микроэлектроники СВЧ [Текст]/ К.Б. Джуринский. - М.: Техносфера, 2006. - 216 с.

16. Генератор сигналов E8267D. Техническое описание [Текст]. - Agilent Technologies.

17. Осциллограф TPS2012. Техническое описание [Текст]. - Tektronix.

18. Методы и средства идентификации источников радиоизлучения [Текст]/ под ред. А.А.Зори. - Донецк: ГВУЗ «ДонГТУ», 2010. - 345 с.

19. Куприянов А.И., Петренко П.Б., Сычев МП.Теоретические основы радиоэлектронной разведки [Текст]/ А.И. Куприянов, П.Б. Петренко, М.П. Сычев.-М.: МГТУ им Н.Э. Баумана, 2010. -381 с.

20. Модели пространственного и частотного поиска [Текст]/ под ред. Ю.Л. Козирацкого. - М.: Радиотехника, 2013. - 344 с.

References

1. Djatlov A.P. Korreljacionnaja obrabotka shirokopolosnyh signalov v avtomatizirovannyh kompleksah radiomonitoringa [Tekst]/ A.P. Djatlov, B.H. Kul'bikajan. - M.: Gorjachaja linija - Telekom. 2013. - 332 p.

2. Tsui J.B. Microwave receivers with electronic warfare application [Text]/ J.B. Tsui. - N.Y: John Wiley & Sons, 1986. - 460 p.

3. Wiley R.G. Electronic Intelligence. The Interception of Radar Signals [Text]/ R.G. Wiley Dedham, MA: Artech House, 1985. - 284 p.

4. Vasilenko V.Je. Jeksperimental'noe issledovanie priemnika mgnovennogo izmerenija chastoty [Tekst]/ V.Je. Vasilenko, B.D. Dikarev, A.N. Zikij, I.A. Sal'nyj // Izvestija JuFU. Serija Tehnicheskie nauki. - 2008. - №3. - P. 168-171.

5. Brovchenko S.P. Funkcional'naja matematicheskaja model' avtokorreljacionnogo chastotnogo diskriminatora [Tekst]/ S.P. Brovchenko, I.I. Pivovarov //Jelektronnaja tehnika. Cer. SVCh tehnika. - 1993. - №5-6. - P. 30-37.

6. Butkov V.P. Sverhshirokopolosnyj detektor [Tekst]/ V.P. Butkov, A.N. Zikij, P.N. Zlaman // Jelektrotehnicheskie i informacionnye kompleksy i sistemy. - 2014. - t.10. - №2.- s. 111-116.

7. Beljaev D.V. Jeksperimental'noe issledovanie tranzistornogo detektora SVCh [Tekst]/ D.V. Beljaev, A.N. Zikij, K.E. Rumjancev // Jelektrotehnicheskie i informacionnye kompleksy i sistemy. - 2006. - №2. -P. 54-57.

8. Balandin V.S. i dr. Perspektivy razvitija priemnyh ustrojstv sistem RJeB [Tekst]/ V.S. Balandin

i dr. // Zarubezhnaja radiojelektronika. - 1987. - .№12. - P. 78-92.

9. Poluprovodnikovye pribory. SVCh diody. Spravochnik [Tekst]/ pod red. B.A. Nalivajko. -Tomsk, MGP «RASKO», 1992.

10. Spravochnik po raschetu i konstruirovaniju mikropoloskovyh ustrojstv [Tekst]/ pod red. V.I. Vol'mana. - M.: Radio i svjaz', 1982. - 328 p.

11. Bushminskij I.P. Tehnologija gibridnyh integral'nyh shem SVCh. Uchebnoe posobie [Tekst]/ I.P. Bushminskij, G.V. Morozov. - M.: Vysshaja shkola, 1980. - 285 p.

12. Krasov V.G. Tolstoplenochnaja tehnologija v SVCh mikrojelektronike [Tekst]/ V.G. Krasov, G.B. Petrauskas, Ju.S. Chernozubov. - M.: Radio i svjaz', 1985. - 168 p.

13. Spravochnik po jelementam poloskovoj tehniki [Tekst]/ pod red. A.L. Fel'dshtejna. - M.: Svjaz', 1979 - 336 p.

14. Grachev A.A. Konstruirovanie jelektronnoj apparatury na osnove poverhnostnogo montazha

komponentov [Tekst]/ A.A. Grachev, A.A. Mel'nik, L.I. Panov. - M.: NT-Press, 2006. - 384 p.

15. Dzhurinskij K.B. Miniatjurnye koaksial'nye radiokomponenty dlja mikrojelektroniki SVCh [Tekst]/ K B. Dzhurinskij. - M.: Tehnosfera, 2006. -216 p.

16. Generator signalov E8267D. Tehnicheskoe opisanie [Tekst]. - Agilent Technologies.

17. Oscillograf TPS2012. Tehnicheskoe opisanie [Tekst]. - Tektronix.

18. Metody i sredstva identifikacii istochnikov radioizluchenija [Tekst]/ pod red. A.A.Zori. - Doneck: GVUZ «DonGTU», 2010. - 345 p.

19. Kuprijanov A.I., Petrenko P.B., Sychev M.P. Teoreticheskie osnovy radiojelektronnoj razvedki [Tekst]/ A.I. Kuprijanov, P.B. Petrenko, M.P. Sychev.-M.: MGTU im N.Je. Baumana, 2010. - 381 p.

20. Modeli prostranstvennogo i chastotnogo poiska [Tekst]/ pod red. Ju.L. Kozirackogo. - M.: Radiotehnika, 2013. - 344 s.