ШИРОКОПОЛОСНОЕ ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
BROADBAND TRANSCEIVER

Область техники:
[0001] Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в областях измерительной техники, связи, радиолокации, навигации и других сложных радиоэлектронных системах, в которых необходимо использование широкополосных сверхвысокочастотных приемопередающих устройств.
Уровень техники:
[0002] Известно приемопередающее устройство для ретрансляции радиосигналов, описание которого приведено в книге Вакин С.А., Шустов Л.Н., «Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки», М., Советское радио, 1968 г., содержащее приемную антенну, приемно-усилительный блок, приемопередающий блок с модулятором и входную антенну. Ретранслятор состоит из приемного и передающего каналов - один приемопередающий канал. Приемный канал содержит последовательно соединенную приемную антенну и приемно-усилительный блок. Передающий канал соединен последовательно с приемным каналом и содержит соединенные последовательно передающий блок с модулятором и передающей антенной.
[0003] Принимаемый приемной антенной сигнал поступает в усилительное устройство, где обрабатывается, усиливается, после чего поступает в приемо-передающий блок, осуществляющий усиление и модуляцию сигнала, и далее излучается с помощью передающей антенны.
[0004] Недостатком аналога является узкая ширина полосы рабочих частот. Основной причиной ограничения мгновенной полосы рабочих частот является одноканальное исполнение преобразователя частоты. Расширение полосы одноканального преобразователя ведет к повышению среднеквадратического уровня шума и тем самым к сокращению динамического диапазона входного сигнала, т.к. среднеквадратическая граница уровня шума является нижней границей динамического диапазона уровня входного сигнала. Его верхней границей является уровень, на котором дифференциальное усиление входного сигнала уменьшается на 1 дБ, (под редакцией М. Сколника, «Справочник по радиолокации», т. 3, глава 2.4, стр. 142. Москва, Сов. радио, 1977 г.).
[0005] Известно сверхвысокочастотное приемопередающее устройство (Патент РФ на изобретение № 2662727 Н04В 7/155, опубликован 30.07.2018 ),  принятое за прототип изобретения.
[0006] Сверхвысокочастотное приемопередающее устройство содержит: приемную 1 и передающую 16 антенны; переключатель 2; делитель мощности 3; блок управления (БУ) 13; опорный генератор (ОГ) 14; светвитель 15, генератор «белого шума» ГБШ 17, импульсный генератор (ИГ) 18 и К (К - целое число, два или больше) одинаковых по электрической схеме параллельных каналов двойного преобразования частоты, частотных поддиапазонов, диапазона частот входного СВЧ-сигнала.
[0007] Каждый канал двойного преобразования частоты одного поддиапазона содержит: первый фильтр 4, первый преобразователь частоты 5, аналого-цифровой преобразователь 6, устройство цифровой обработки сигналов 8, цифро-аналоговый преобразователь 10, второй фильтр 11, второй преобразователь частоты 12, соединенные последовательно.
[0008] Недостатками прототипа являются: необеспечение требуемого оптимального значения уровня динамического диапазона, принятого и передаваемого сигналов при требуемой ширине полосы преобразования частоты приемника и передатчика.
Раскрытие изобретения:
[0009] Техническим результатом изобретения является обеспечение оптимального сочетания значений уровня динамического диапазона принятого сигнала и требуемой ширины полосы преобразования частот при приеме и передаче сигнала.
[0010] Указанный технический результат достигается за счет широкополосного приемопередающего устройства с оптимальным сочетанием требуемого уровня динамического диапазона принятого сигнала и требуемой шириной полосы преобразования частот при приеме и передаче сигналов, содержащего приемную и передающую антенны, выполненные с возможностью приема и передачи СВЧ-сигналов, и канал двойного преобразования частоты, при этом в устройство дополнительно введены К-1 каналов двойного преобразования частоты, где К целое число - два или больше, делитель мощности, выполненный с возможностью деления входного СВЧ-сигнала по числу каналов К в равных долях, блок управления, выполненный с возможностью управлять посредством управляющих сигналов упомянутыми каналами двойного преобразования частоты и опорным генератором, опорный генератор, выполненный с возможностью генерирования опорной частоты, и светвитель, выполненный с возможностью светвления входного СВЧ-сигнала по числу каналов К в равных долях, где каждый канал двойного преобразования частоты содержит полосовой фильтр, имеющий первый вход СВЧ-сигнала и выполненный с возможностью фильтрации входного СВЧ-сигнала, выделяя из широкополосного входного сигнала сигнал с полосой частот поддиапазона соответствующего канала и соединенный своим выходом с первым входом первого преобразователя частоты СВЧ-сигнала, который своим выходом соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, выполненного с возможностью аналого-цифрового преобразования упомянутого сигнала и соединенного своим выходом с первым входом устройства обработки цифрового сигнала, выполненного с возможностью вычисления параметров СВЧ-сигнала и соединенного своим выходом с первым входом цифро-аналогового преобразователя, выполненного с возможностью цифро-аналогового преобразования упомянутого сигнала и соединенного своим выходом с первым входом второго преобразователя частоты, при этом первый и второй преобразователи частоты обеспечивают оптимальный уровень динамического диапазона принимаемого сигнала, а также обеспечивают оптимальную ширину преобразования частоты, где оптимальный уровень динамического диапазона принимаемого сигнала определяется областью значений от минимального, т.е. заданного значения, сформированного при соответствующей максимальной ширине полосы частот преобразователя частоты, определяющей границу шумовых сигналов, а оптимальная ширина полосы частот многоканального преобразователя частоты, равная заданной, обеспечивается суммарной шириной полосы преобразования частот при использовании всех каналов двойного преобразования частоты, при этом второй преобразователь частоты выполнен с возможностью повышения несущей частоты СВЧ-сигнала и соединен своим выходом с соответствующим входом светвителя, при этом приемная антенна своим выходом соединена с входом делителя, который своим соответствующим выходом соединен с первым входом каждого полосового фильтра, блок управления соединен со вторым входом каждого полосового фильтра, со вторыми входами каждого первого и второго преобразователей частоты, со вторым и третьим входом каждого аналого-цифрового преобразователя, со вторым и третьим входом каждого устройства цифровой обработки сигналов и со вторым и третьим входом каждого цифро-аналогового преобразователя частоты, опорный генератор соединен со вторым входом каждого полосового фильтра, со вторыми входами каждого первого и второго преобразователей частоты, со вторым входом каждого аналого-цифрового преобразователя, со вторым входом каждого устройства цифровой обработки сигналов и со вторым входом каждого цифро-аналогового преобразователя частоты.
[0011] Дополнительно упомянутое устройство выполнено с возможностью приема и передачи радиолокационных сигналов в различных диапазонах.
[0012] Очевидно, что как предыдущее общее описание, так и последующее подробное описание даны лишь для примера и пояснения и не являются ограничениями данного изобретения.
Краткое описание чертежей:
[0013] На фиг. 1 показана функциональная схема заявленного широкополосного приемопередающего устройства с оптимальным сочетанием требуемого уровня динамического диапазона принятого сигнала и требуемой шириной полосы преобразования частот при приеме и передаче сигналов.
Осуществление изобретения:
[0014] Далее со ссылкой на фиг. 1 будет описана работа широкополосного приемопередающего устройства. Широкополосное приемопередающего устройства с оптимальным сочетанием требуемого уровня динамического диапазона принятого сигнала и требуемой шириной полосы преобразования частот при приеме и передаче сигналов содержит: приемную 1 и передающую 12 антенны; делитель мощности 2; блок управления (БУ) 9; опорный генератор (ОГ) 10; светвитель 11, К (целое число два или больше) параллельных каналов двойного преобразования частоты аналогичных по электрической схеме частотного поддиапазона рабочего диапазона частот входного СВЧ-сигнала.
[0015] Каждый упомянутый параллельный канал двойного преобразования частоты содержит: фильтр полосовой 3, первый преобразователь частоты 4, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5, устройство цифровой обработки сигналов (ЦОС) 6, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 7 и второй преобразователь частоты 8.
[0016] Приемная 1 и передающая 12 антенны выполнены с возможностью приема и передачи СВЧ-сигнала.
[0017] Делитель мощности 2 имеет один вход СВЧ-сигнала, соединенный с выходом приемной антенны 1, и К выходов СВЧ-сигналов (где К - целое число, два или больше) по числу упомянутых каналов, где каждый выход соединен с входом соответствующего фильтра полосового 3. Делитель мощности выполнен с возможностью деления входного СВЧ-сигнала по числу каналов К в равных долях.
[0018] БУ 9 имеет вход сигнала ОГ 10, два выхода управляющих сигналов, соединенных со третьими входами АЦП 5 и ЦАП 7, выход-вход управляющего сигнала, соединенный с ЦОС 6. БУ 9 выполнен с возможностью управлять посредством управляющих сигналов упомянутыми каналами двойного преобразования частоты и опорным генератором.
[0019] ОГ 10 имеет выход сигнала, соединенный с входом БУ 9, и выполнен с возможностью генерирования опорной частоты.
[0020] Светвитель 15 имеет К входов СВЧ-сигналов (где К - целое число, два или больше) по числу упомянутых каналов, где каждый вход соединен с выходом соответствующего преобразователя частоты 8 и один выход СВЧ-сигнала, соединенный с входом передающей антенны 12. Светвитель 15 выполнен с возможностью светвления входного СВЧ-сигнала по числу каналов К в равных долях.
[0021] Каждый канал двойного преобразования частоты имеет вход и выход СВЧ-сигналов, шесть входов сигналов ОГ 10, по числу активных, т.е. использующих в своей работе тактовые сигналы, устройств канала, вход-выход сигналов БУ 9 и два входа БУ 9. Вход СВЧ-сигналов канала является входом фильтра 3, а выход СВЧ-сигналов канала является выходом второго преобразователя частоты 8.
[0022] Фильтр 3 имеет вход и выход преобразуемого СВЧ-сигнала, где вход является первым входом канала СВЧ-сигнала, а выход соединен с первым преобразователем частоты 4. Фильтр 3 выполнен с возможностью фильтрации входного СВЧ-сигнала, выделяя из широкополосного входного сигнала сигнал с полосой частот поддиапазона соответствующего канала.
[0023] Преобразователь частоты 4 имеет выход преобразуемого СВЧ-сигнала, соединенный с первым входом АЦП 5, и второй вход сигнала ОГ 10. Преобразователь частоты 4 обеспечивает оптимальный уровень динамического диапазона принимаемого сигнала, а также обеспечивает оптимальную ширину преобразования частоты, где оптимальный уровень динамического диапазона принимаемого сигнала определяется областью значений от минимального, т.е. заданного значения, сформированного при соответствующей максимальной ширине полосы частот преобразователя частоты, определяющей границу шумовых сигналов, а оптимальная ширина полосы частот многоканального преобразователя частоты, равная заданной, обеспечивается суммарной шириной полосы преобразования частот при использовании всех каналов двойного преобразования частоты.
[0024] АЦП 5 имеет выход, соединенный с первым входом ЦОС 6, первый вход преобразуемого СВЧ-сигнала, второй вход сигнала ОГ 10 и третий вход БУ 9. АЦП 5 выполнен с возможностью аналого-цифрового преобразования СВЧ-сигнала.
[0025] ЦОС 6 имеет выход, соединенный с первым входом ЦАП 7, первый вход преобразуемого сигнала, соединенный с выходом АЦП 5, второй вход сигнала ОГ 10 и вход-выход сигнала БУ 9. ЦОС 6 выполнен с возможностью определения параметров СВЧ-сигналов, необходимых для решения задач в радиолокационной области, в областях связи, навигации, приборостроения и т.д.
[0026] ЦАП 7 имеет выход, соединенный с первым входом второго преобразователя частоты 8, первый вход преобразуемого сигнала, соединенный с выходом ЦОС 6, второй вход сигнала ОГ 10 и третий вход сигнала БУ 9. ЦАП 7 выполнен с возможностью цифро-аналогового преобразования упомянутого СВЧ-сигнала.
[0027] Второй преобразователь частоты 8 имеет выход, соединенный с соответствующим входом светвителя 11, первый вход преобразуемого СВЧ-сигнала, соединенный с выходом ЦАП 7 и второй вход сигнала ОГ 10, выход СВЧ-сигнала второго преобразователя частоты 8 является выходом упомянутого канала. Второй преобразователь частоты 8 обеспечивает оптимальный уровень динамического диапазона принимаемого сигнала, а также обеспечивает оптимальную ширину преобразования частоты, где оптимальный уровень динамического диапазона принимаемого сигнала является самым высоким значением динамического диапазона принимаемого сигнала при максимальной амплитуде принимаемого сигнала, а оптимальная ширина является любым заданным значением ширины полосы преобразования частоты при максимальном использовании всех каналов двойного преобразования частоты.
[0028] Каждый i-ый канал двойного преобразования частоты входом СВЧ-сигналов соединен с i-м выходом делителя мощности 2, а выход канала СВЧ-сигнала соединен с i-м входом светвителя 11, выход которого соединен со входом передающей антенны 12.
[0029] Приемная антенна 1, делитель мощности 2 соединены последовательно, каждый i-ый выход делителя 2 соединен с входом i-го канала, а каждый выход i-го канала соединен с i-м входом светвителя 11, выход которого соединен с входом передающей антенны 12 также последовательно.
[0030] Выход ОГ 10 соединен:
- со вторым входом фильтра полосового 3 (первый вход i-го канала);
- со вторым входом первого преобразователя частоты 4, база для создания сигнала гетеродина;
- со вторым входом АЦП 5, база для создания сигналов дискретизации и аналого-цифрового кодирования;
- со вторым входом ЦОС 6, база для создания тактового сигнала работы ПЛИС (Программируемая логическая интегральная схема);
- со вторым входом ЦАП 7, база для создания сигналов дискретизации и аналого-цифрового кодирования;
- со вторым входом второго преобразователя частоты 8, база для создания сигнала гетеродина;
- с входом БУ 9, для создания тактового сигнала работы аппаратных средств БУ 13.
[0031] Выход-вход сигналов БУ 9 соединен с входом-выходом ЦОС 6.
[0032] К основным функциям ЦОС относится: обнаружение сигнала; определение амплитудных и импульсных характеристик сигнала, несущей частоты; цифровая фильтрация гармонических паразитных составляющих, возникающих при дискретизации аналогового сигнала в АЦП. Момент поступления сигнала на вход ЦОС i.8 фиксируется устройством ЦОС. Полученная информация передается в блок управления. При реализации цифровой составляющей приемо-передатчика были применены ПЛИС класса Stratix IV. Достоинством ПЛИС этого класса, при решении подобных задач, является блочная организация логических элементов, шестивходные адаптивные таблицы просмотра (ALUT), относительно большие блоки сосредоточенной памяти со скоростями тактового сигнала до 600 МГц и блоки цифровой обработки сигналов (DSP) с эффективной частотой работы от 300 МГц до 500 МГц (в зависимости от разрядности вычислений). Подсистемы ввода-вывода совместимы с высокоскоростными АЦП и ЦАП.
[0033] В качестве приемной 1 и передающей 12 антенн могут быть применены спиральные антенны, работающие в диапазоне 2…18 ГГц. Применение при производстве спиральных антенн подложки из диссипативного материала позволяет получить в этом диапазоне практически независимый от частоты коэффициент усиления антенн.
[0034] Делитель мощности 2 предназначен для деления входного СВЧ-сигнала по числу каналов К в равных долях и может быть выполнен полосковым.
[0035] БУ 9 предназначен для управления устройством по изобретению и может быть, реализован на базе платы RadiSyS Avelue ЕАХ - Q 45 с чипсетом Intel Q45/ICH10D0:
- процессор Intel Celeron E1500, 2.2 ГГц.
- ОЗУ 1 Гбайт.
- жесткий диск 120 Гбайт.
- корпус, соответствующий стандарту 19' EIA RS-310С.
[0036] БУ 9 имеет вход сигнала ОГ 10, для формирования тактовых сигналов устройств аппаратных средств БУ 13, выход-вход сигналов ЦОС 8, и два выхода, соединенных с АЦП 5 и ЦАП 7.
-12
[0037] ОГ 10 служит для генерации сверхстабильных тактовых сигналов, предназначенных для всех дискретных и цифровых устройств приемопередатчика, в качестве него может быть применен стандарт частоты Ч1-81, частота его выходного сигнала 5 МГц, а среднее относительное изменение частоты за сутки (дрейф) менее 1*10, имеет один выход.
[0038] Светвитель 11 СВЧ-каналов имеет К входов СВЧ-сигналов по числу упомянутых каналов и выход суммы этих каналов. Светвитель 11 выполнен с возможностью светвления входного СВЧ-сигнала по числу каналов К в равных долях.
[0039] Цифровая обработка сигналов производится с применением программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), способных обеспечивать вычисления на частотах не выше 500 МГц, поэтому потоки данных от преобразователей частоты делятся на отдельные блоки вычислений с тем, чтобы в каждом блоке предельная частота не превышала 500 МГц.
[0040] Алгоритмы формирования оптимального состава приемопередатчика/приемника:
1. Определяется ширина полосы преобразования частоты принятого сигнала.
2. Определяется ширина полосы преобразования частоты приемника, при которой обеспечивается необходимый уровень динамического диапазона принятого сигнала, например, 70 Дб. Рекомендуемая ширина полосы преобразования частот на выходе преобразователей частоты 250 или 500 МГц.
3. В зависимости от требуемого значения величины ширины полосы преобразования частоты поддиапазона (п. 2), определяется количество сопряженных поддиапазонов, обеспечивающих реализацию требуемой ширины полосы преобразования частоты на приеме.
При работе с широкополосными сигналами:
4. При работе с широкополосными сигналами требуется определить ширину полосы частот принятого сигнала.
5. Сформировать ширину полосы преобразования частоты на приеме, равной или превышающей ширину принятого сигнала.
6. Определить параметры тонкой структуры принятого широкополосного сигнала.
7. Провести предварительный анализ для определения типа сигнала.
8. Дальнейшая работа проводится по заранее подготовленным алгоритмам по направлениям, выбранным на основе предварительного анализа.
[0041] В настоящем изобретении раскрыто широкополосное сверхвысокочастотное многоканальное приемопередающее устройство с оптимальным сочетанием уровня динамического диапазона принятого сигнала, например, 70 дБ, обеспечиваемого приемником с шириной полосы преобразования частоты, например, 250 МГц, и ширины полосы многоканального преобразователя частоты при приеме сигнала не менее 1 ГГц. Многоканальные преобразователи частоты имеют два предпочтительных варианта ширины полосы принимаемого сигнала, связанных с соответствующими параметрами АЦП: 250 МГц и 500 МГц. Поэтому в состав многоканального преобразователя частоты входят, по меньшей мере, пять фазовосопряженных каналов, из которых центральный предназначается для обработки основного принимаемого сигнала, и по два канала с диапазоном 250*2=500 МГц. При этом количество упомянутых каналов может быть от одного и выше. Общая ширина полосы рабочих частот 250*5=1250 МГ=1,25 ГГц.
[0042] Широкополосное сверхвысокочастотное многоканальное приемопередающее устройство может использоваться в системах, где требуется высокое качество преобразования частоты, т.е. обеспечивается необходимый динамический уровень входного сигнала независимо от ширины его рабочей полосы преобразования частоты.
[0043] Заявляемое изобретение дает возможность унифицировать приемопередатчики/приемники, применяемые в областях:
• радиолокации,
- различные типы РЛС;
- системы РЭБ;
- системы РТР;
• систем связи, навигации,
• стендов для отработки указанных систем с целью сокращения объема и повышения качества натурных испытаний,
• измерительных приборов.
[0044] Унификация многоканальных приемопередатчиков/приемников дает путь к их серийному производству, что ведет к сокращению времени разработки указанных выше систем, а также к сокращению финансовых затрат и к повышению производительности и качества при изготовлении серийных систем.