Радиоприёмное устройство с цифровой коррекцией самопораженных частот
RADIO RECEIVER WITH DIGITAL SELF-CORRUPTED FREQUENCY CORRECTION

Изобретение относится к технике приема и обработки радиосигналов и может быть использовано для создания программно-определяемых радиосредств с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ) в условиях воздействия внутренних излучений, вызываемых источниками питания радиосредства, для обеспечения устойчивой радиосвязи в сложной помеховой обстановке.
Такие приемники описаны, например, в книгах «Software defined radio: enabling technologies», John Wiley & Sons, Chichester, UK, 2002.–p.p. 440 автора W. Tuttlebee, Ed и "Digital front-End in wireless communications and broadcasting: circuits and signal processing / Cambridge University Press 2011.
Сущность таких устройств заключается в дискретизации сигнала непосредственно на радиочастоте и дальнейшем приеме с помощью алгоритмов цифровой обработки сигналов с применением программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) и цифровых сигнальных процессоров  (ЦСП), причем частота настройки приемного канала может изменяться по псевдослучайному закону.
Для питания высокоскоростных цифровых микросхем, в том числе аналого-цифровых преобразователей (АЦП), ПЛИС и ЦСП общепринятой практикой является применение импульсных вторичных источников питания (ВИП) [1], что обусловлено низкими потерями энергии на преобразование напряжений.
Особенность работы импульсных ВИП заключается в наличии внутреннего переключателя преобразователя напряжения, работающего на некоторой частоте преобразования, гармоники которой попадают в чувствительный приемный тракт, значительно ухудшая параметры приемника на некоторых частотах.
Ведущие производители импульсных источников питания предусматривают отдельный вход источника питания для переменного сигнала, задающего частоту внутреннего переключателя напряжения. Например, в документации на импульсный источник питания LTM4644 производства Analog Devices (LTM4644. Quad DC/DC µModule Regulator with Configurable 4A Output Array / Analog Devices – 2019; электронный ресурс www.analog.com/en/products/LTM4644.html) имеется подробное описание входа для подачи синусоидального переменного сигнала (стр. 7, колонка 1, строки 8-15), который может быть сформирован посредством синтезатора частот.
В известных радиоприемных устройствах [2] не уделяется внимание уменьшению влияния самопораженных частот, возникающих вследствие внутренних излучений, вызванных особенностями работы импульсных ВИП в режиме ППРЧ.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является радиоприемное устройство с цифровой коррекцией самопораженных частот, описанное в патенте RU 2645738, H04B 15/04, принятый за прототип.
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства-прототипа, где обозначено:
1 – входные цепи;
2 – аналогово-цифровой преобразовать (АЦП);
3 – источник частоты дискретизации (ИЧД);
3.1 – первый синтезатор частот (СЧ);
3.2 – опорный генератор (ОГ);
4 – цифровой приемный тракт;
5 – демодулятор;
7 – блок цифровой коррекции частоты преобразования (ЦКЧП);
8 – второй синтезатор частот (СЧ);
9 – вторичный источник питания (ВИП);
10 – формирователь размывающего сигнала;
10.1 – формирователь отсчетов;
10.2 – цифроаналоговый преобразователь (ЦАП);
10.3 – фильтр;
11 – сумматор;
12 – преселектор.
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные входные цепи 1, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 2, цифровой приемный тракт 4 и демодулятор 5, выход которого является информационным выходом устройства. При этом входные цепи 1 содержат последовательно соединенные преселектор 12 и сумматор 11, выход которого является выходом входных цепей 1, а также формирователь размывающего сигнала 10, который состоит из последовательно соединенных формирователя отсчетов 10.1, цифроаналогового преобразователя 10.2 и фильтра 10.3, выход которого подключен ко второму входу сумматора 11. Ко второму входу АЦП 2 подключен первый выход источника частоты дискретизации 3, который состоит из последовательно соединенных опорного генератора 3.2 и первого синтезатора частот 3.1. Управляющий выход цифрового приемного тракта 4 через последовательно соединенные блок цифровой коррекции частоты преобразования 7 и второй синтезатор частот 8 соединен с входом вторичного источника питания 9. При этом второй выход ИЧД 3, являющийся выходом опорного генератора 3.2, соединен с тактовым входом второго синтезатора частот 8.
В блоках 2, 4, 5, 7, 10.1 и 10.2 имеются стандартные тактовые входы, на которые подаются сигналы, обеспечивающие синхронизацию работы устройства в целом.
Во всех блоках 1, 2, 3, 4, 5, 10, 11, 12 имеются входы питания (на фиг. 1 не показаны), на которые подается соответствующее питающее напряжение с ВИП 9, необходимое для правильной работы устройства.
Устройство-прототип работает следующим образом.
Входной радиочастотный сигнал поступает на вход радиоприёмного устройства и проходит через входные цепи 1, где осуществляется предварительная фильтрация и усиление сигнала, а также подмешивается размывающий сигнал, генерируемый формирователем размывающего сигнала 10. С выхода входных цепей 1 смесь сигналов поступает на первый (сигнальный) вход АЦП 2, на второй вход которого поступает частота дискретизации с источника частоты дискретизации 3, в котором с помощью ОГ 3.2 и первого СЧ 3.1 частота дискретизации формируется.
С выхода АЦП 2 дискретизированный сигнал поступает на вход цифрового приемного тракта 4, где происходит фильтрация, перенос по частоте и понижение частоты дискретизации; далее в демодуляторе 5 принимается решение о приеме сигнала, а принятая информация поступает на информационный выход радиоприемного устройства.
С управляющего выхода цифрового приемника 4 в блок ЦКЧП 7 поступает информация о частоте настройки приемного канала и на основе этой информации производится вычисление частоты преобразования. Цифровой код частоты преобразования с блока ЦКЧП 7 поступает на управляющий вход второго СЧ 8, на тактовый вход которого подается опорный сигнал с выхода ОГ 3.2. С выхода второго СЧ 8 сигнал с частотой, равной вычисленной частоте преобразования поступает на вход ВИП 9.
Укрупненная схема устройства прототипа представлена на фиг.2 (обозначения те же, что и на фиг. 1), где входные цепи 1 могут быть реализованы с подмешиванием размывающего сигнала или без, а также содержать любую другую предварительную обработку сигнала до входа АЦП 2.
Недостатком устройства-прототипа при работе в режиме ППРЧ является перестройка частоты преобразования ВИП при каждом изменении рабочей частоты основного канала приема (ОКП). При каждом изменении частоты ВИП вследствие переходных процессов часть энергии внутренних излучений неизбежно попадает в полосу ОКП, ухудшая чувствительность.
Задачей изобретения является уменьшение количества перестроек частоты преобразования ВИП путем использования порогового устройства, которое оценивает минимальное расстояние от ОКП до ближайшей гармоники частоты преобразования ВИП и принимает решение о необходимости изменения частоты ВИП.
Для решения поставленной задачи в радиоприёмное устройство с цифровой коррекцией самопораженных частот, содержащее последовательно соединенные входные цепи, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровой приемный тракт и демодулятор, выход которого является информационным выходом устройства, при этом вход входных цепей является входом устройства, а также источник частоты дискретизации, состоящий из последовательно соединенных опорного генератора и первого синтезатора частот (СЧ), выход которого является первым выходом источника частоты дискретизации и соединен со вторым входом АЦП; выход блока цифровой коррекции частоты преобразования (ЦКЧП) через второй СЧ соединен с входом вторичного источника питания, при этом второй выход источника частоты дискретизации, являющийся вторым выходом опорного генератора, соединен с тактовым входом второго СЧ, согласно изобретению, между вторым выходом цифрового приемного тракта и входом блока ЦКЧП включено пороговое устройство, которое осуществляет принятие решения о перестройке частоты преобразования согласно логическому выражению:
где:
окп
f – текущая частота преобразования ВИП;
c
f – текущая частота преобразования ВИП;
– минимальное расстояние от ОКП до ближайшей гармоники ВИП заданное разработчиком;
– операнд взятия целой части от дробного числа, кроме того, выход входных цепей и преселектора соединен с входом АЦП.
Функциональная схема заявляемого устройства представлена на фиг. 3, где обозначено:
1 – входные цепи;
2 – аналогово-цифровой преобразовать (АЦП);
3 – источник частоты дискретизации;
3.1 – синтезатор частот (СЧ);
3.2 – опорный генератор (ОГ)
4 – цифровой приемный тракт;
5 – демодулятор;
6 – пороговое устройство;
7 – блок цифровой коррекции частоты преобразования (ЦКЧП);
8 – второй синтезатор частот (СЧ)
9 – вторичный источник питания (ВИП).
Заявляемое устройство содержит последовательно соединенные входные цепи 1, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 2, цифровой приемный тракт 4 и демодулятор 5, выход которого является информационным выходом устройства. Ко второму входу АЦП 2 подключен первый выход источника частоты дискретизации 3, который состоит из последовательно соединенных опорного генератора 3.2 и первого синтезатора частот 3.1, выход которого является первым выходом ИЧД 3. Управляющий выход цифрового приемного тракта 4 через последовательно соединенные пороговое устройство 6, блок цифровой коррекции частоты преобразования 7 и второй синтезатор частот 8 соединен с входом вторичного источника питания 9. При этом второй выход ИЧД 3, являющийся выходом опорного генератора 3.2, соединен с тактовым входом второго синтезатора частот 8.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Входной радиочастотный сигнал поступает на вход радиоприёмного устройства и проходит через входные цепи 1, где осуществляется предварительная фильтрация, усиление и любая другая обработка сигнала. Далее сигнал поступает на первый (сигнальный) вход АЦП 2; на второй вход которого поступает частота дискретизации с источника частоты дискретизации 3, в котором с помощью ОГ 3.2 и первого СЧ 3.1 она формируется.
С выхода АЦП 2 дискретизированный сигнал поступает на вход цифрового приемного тракта 4, где происходит фильтрация, перенос по частоте и понижение частоты дискретизации. Далее в демодуляторе 5 принимается решение о приеме сигнала, а принятая информация поступает на информационный выход радиоприемного устройства.
С управляющего выхода цифрового приемного тракта 4 в пороговое устройство 6 поступает информация о частоте настройки приемного канала и на основе этой информации принимается решение о необходимости вычисления новой частоты преобразования. В случае положительного решения частота настройки приемного канала передается в блок ЦКЧП 7 и на основе этой информации производится вычисление частоты преобразования. Цифровой код частоты преобразования с блока ЦКЧП 7 поступает на управляющий вход второго СЧ 8, на тактовый вход которого подается опорный сигнал с ОГ 3.2. С выхода второго СЧ 8 сигнал с частотой, равной вычисленной частоте преобразования поступает на соответствующий вход ВИП 9.
Пороговое устройство 6 представляет собой цифровое устройство вычисления и сравнения, которое функционирует согласно формуле (1).
(1)
где:
окп
f – текущая частота преобразования ВИП;
c
f – текущая частота преобразования ВИП;
– минимальное расстояние от ОКП до ближайшей гармоники ВИП заданное разработчиком;
– операнд взятия целой части от дробного числа.
В отличие от прототипа предлагаемое устройство позволяет минимизировать количество перестроек частоты преобразования ВИП и, соответственно уменьшить влияние переходных процессов на чувствительность радиоприемного устройства в режиме ППРЧ.
Реализация блоков 1, 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9 заявляемого устройства аналогична блокам устройства-прототипа и может быть выполнена, в соответствии с монографией Пауль Хоровиц и Уинфилд Хилл «Искусство схемотехники» в 2-х томах. Москва Мир 1986 г. Введенный блок 6 может быть реализован программно на микроконтроллере, процессоре или программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС).
Приведем доказательство эффективности работы заявляемого устройства.
В соответствии с поставленной задачей реализовано радиоприёмное устройство с цифровой коррекцией самопораженных частот, в котором путем использования порогового устройства 6 было уменьшено количество перестроек частоты преобразования ВИП при работе в режиме ППРЧ по сравнению с количеством перестроек частоты ОКП.
c
c0
c
c
c
c0
Для доказательства эффективности предложенного радиоприемного устройства рассмотрим работу устройства-прототипа в режиме ППРЧ со скоростью N скачков в секунду с шириной ОКП w Гц. Пусть для питания устройства используется ВИП с частотой преобразования fГц, а гармоника частоты преобразования, попадающая в ОКП, имеет мощность PВт, при этом время перестройки частоты преобразования ВИП ограничено инерционностью, как синтезатора частот, так и самого ВИП и составляет t c. Тогда энергию гармоники частоты преобразования ВИП E, которая распределяется по частотному интервалу ∆f, соответствующего изменению частоты отстраиваемой гармоники ВИП, можно определить как E = P*t Дж. Соответственно, энергия шума в ОКП шириной w в момент перестройки частоты преобразования ВИП увеличится на  дЖ. Для пояснения, соответствующий частотный спектр сигналов на выходе АЦП 2 представлен на фиг. 3. При этом в режиме ППРЧ N скачков в секунду устройству-прототипу требуется N перестроек частоты преобразования ВИП. Таким образом, мощность шума в полосе ОКП w увеличится на  Вт.
При введении порогового устройства количество перестроек частоты преобразования ВИП будет зависеть от величины вероятности попадания гармоники ВИП в заданный частотный интервал , который является минимальным расстоянием по частоте от ОКП до ближайшей гармоники ВИП. Таким образом, в заявляемом устройстве в среднем требуется  перестроек частоты преобразования ВИП. Соответственно, вызванное перестройкой частоты преобразования ВИП увеличение мощности шума в ОКП в заявляемом устройстве изменится на  Вт, что в  раз меньше чем в устройстве-прототипе.
c
c
Рассмотрим конкретный пример. Пусть ширина ОКП в режиме ППРЧ N = 16000 скачков в секунду составляет w = 100 Гц при частоте преобразования ВИП f = 1000000Гц. В идеальных условиях минимально допустимое пороговое значение будет определяться как половина ширины ОКП. Однако в реальных условиях частота преобразования ВИП может незначительно отличаться от рассчитанной вследствие ограниченной точности установки частоты синтезатора частот, а также иметь некоторое дрожание. С учетом защитного интервала от неточности установки частоты преобразования ВИП зададим пороговое значение = w =100 Гц. Тогда, количество перестроек частоты преобразования ВИП в среднем будет определяться как  раза в секунду, что в 5000 раз меньше чем в устройстве-прототипе, соответственно, энергия гармоники частоты преобразования ВИП E, которая вследствие переходных процессов попадет в полосу ОКП, также уменьшится в 5000 раз.
Таким образом, введённое пороговое устройство и новые связи позволяют уменьшить количество перестроек частоты преобразования ВИП по сравнению с количеством перестроек частоты ОКП в режиме ППРЧ и тем самым уменьшить влияние переходных процессов на чувствительность радиоприемного устройства.
Достигаемый технический результат – уменьшение влияния переходных процессов на чувствительность ОКП в режиме ППРЧ по сравнению с устройством-прототипом при отсутствии самопораженных частот радиоприемного устройства, порождаемых паразитными излучениями импульсных ВИП.
Источники информации
1. LTM4671. Quad DC/DC µModule Regulator with Configurable DUAL 12Am DUAL 5A Output Array / Ananlog Devices, INC. – 2019 (электронный ресурс www.analog.com/media/en/technical-documentation/data/data-sheets/LTM4671).
2. Tony J. Rouphael, RF and Digital Signal Processing for Software-Defined Radio / Newnes, 2009. 396 pp.
3. Патент № 2645738, H04B 15/04. Радиоприёмное устройство с цифровой коррекцией самопораженных частот. – Маковий В.А., Ермаков С.А, Евсеев М.А. МПК H04B 15/04 – 11 c., Регистрация 28.02.2018. – Опубл. 28.02.2018 г., Бюл. №7.