Приемное устройство широкополосных сигналов
BROADBAND SIGNAL RECEIVING UNIT

Предлагаемое устройство относится к области радиосвязи, использующей широкополосные фазоманипулированные сигналы на основе псевдослучайных последовательностей (ПСП). Устройство может найти применение в широкополосных помехозащищенных системах радиосвязи.
Известно приемное устройство широкополосных сигналов, близкое по назначению и функциональным возможностям к заявляемому устройству, содержащее приемный блок, аналого-цифровой преобразователь, блок управления, блок накопления сигнала, формирователь опорных сигналов,  блок корреляторов, блок выделения информации, цифроаналоговый преобразователь, блок сравнения, блок выбора максимального кода,  блок преобразования напряжение-код, блок наполнения корреляционных сверток, постоянное запоминающее устройство, описанное в [1].
Недостатком устройства [1] является ограничение функциональных возможностей, заключающееся в отсутствии оперативной адаптации к изменениям частоты принимаемого сигнала вследствие реализации его на схемах и элементах жесткой логики.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является приемное устройство широкополосных сигналов, описанное в [2], принятое за прототип.
Функциональная схема устройства-прототипа приведена на фиг. 1, где приняты следующие обозначения:
1 - приемный блок;
2 - цифровое приемное устройство (ЦПУ);
3 - корреляционное приемное устройство (КПУ);
4 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
5 - синтезатор тактовой частоты (СТЧ);
6 - блок управления;
7 - опорный генератор.
Устройство-прототип содержит приемный блок 1, первый вход которого является входом устройства, а выход приемного блока 1 через последовательно соединенные АЦП 4 и ЦПУ 2 подсоединен к первому входу КПУ 3, выход которого соединен со вторым входом ЦПУ 2. Кроме того, последовательно соединенные опорный генератор 7 и СТЧ 5, выход которого соединен со вторыми входами АЦП 4, КПУ 3 и ЦПУ 2. При этом второй выход опорного генератора 7 соединен со вторым входом приемного блока 1, третий вход которого подключен к первому выходу блока управления 6. Второй выход блока управления 6 соединен со вторым входом СТЧ 5, четвертый выход блока управления 6 - с четвертым входом ЦПУ 2. Третий выход блока управления 6 является выходом устройства, а группа входов-выходов блока управления 6 соединена шиной с группой входов-выходов КПУ 3 соответственно.
Работа устройства-прототипа заключается в следующем.
ОГ
Перед началом цикла поиска сигнала блок управления 6 устанавливает параметры поиска путем передачи управляющей информации на приемный блок 1, СТЧ 5, ЦПУ 2 и на КПУ 3. Опорный генератор 7 выдает сигнал стабильной частоты F, который поступает на входы приемного блока 1 и СТЧ 5, а затем с выхода СТЧ 5 поступает на входы АЦП 4, ЦПУ 2 и вход формирователя опорных сигналов (на фиг 1 не показан), входящего в состав КПУ 3.
Входная смесь полезного сигнала, шумов и широкополосных помех поступает в приемный блок 1, в котором происходит предварительная селекция, перемножение на сигнал стабильной частоты, синтезируемый из сигнала опорного генератора 7, режекция участков спектра, пораженных узкополосными помехами, бланкирование импульсных помех и усиление до фиксированного среднего уровня.
Полученный сигнал с выхода приемного блока 1 поступает на вход АЦП 4, где осуществляется дискретизация сигнала с частотой синтезатора тактовой частоты, и преобразование в параллельный двоичный код.
Преобразованный сигнал поступает на вход ЦПУ 2, где осуществляется выделение комплексных огибающих сигналов соответствующих каналов приема, предварительная децимация, затем последующая децимация до минимально необходимой частоты дискретизации, равной удвоенной тактовой частоте модулирующих последовательностей, коррекция искажений амплитудно-частотной характеристики и канальная фильтрация. ЦПУ 2 также осуществляет управление фазой выходного сигнала на основании управляющих кодов, формируемых в КПУ 3.
Далее оцифрованный сигнал с выхода ЦПУ 2 поступает на вход КПУ 3, где производятся следующие этапы корреляционной обработки: накопление и сложение нескольких периодов повторения синхросигнала, перемножение с опорным сигналом, вычисление функции взаимной корреляции входного и опорного синхросигналов при помощи двойного преобразования Фурье, определение максимального и среднего значения квадрата модуля функции взаимной корреляции, вычисление отношения сигнал/шум, сравнение с порогом, принятие решение об обнаружении или отсутствии информационного сигнала в радиоканале, проверка достоверности обнаружения, а также осуществляется автоподстройка частоты и фазы сигнала. Выделенная информация поступает на вход блока управления 6, анализируется для принятия решений коррекции параметров и затем передается на выход устройства.
ПЧ
ПЧ
Д
ПЧ
Д
Д
Недостатком устройства-прототипа является то, что дискретизация сигнала осуществляется с частотой, кратной тактовой частоте ПСП. Это накладывает ограничения на допустимый диапазон изменения тактовой частоты ПСП устройства-прототипа, а также на выбор промежуточной частоты в приемном блоке. Ограничения возникают в результате того, что при дискретизации сигнала с частотой Fего спектр переносится на частоты (F - n*F) и -(F + n*F), где F - частота дискретизации, n - целое число. Для оптимального приема сигналов не должно происходить наложения спектров в результате таких переносов, что приводит к сильной зависимости допустимого диапазона изменений частоты дискретизации от значения промежуточной частоты сигнала [3].
В заявляемом устройстве решается задача устранения ограничений на допустимый диапазон изменения тактовой частоты, а также на выбор промежуточной частоты в приемном блоке, что в итоге расширяет возможности цифровой обработки сложного сигнала.
согласно изобретению
Для решения поставленной задачи в устройство, содержащее последовательно соединенные приемный блок, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровое приемное устройство (ЦПУ), а также последовательно соединенные опорный генератор и синтезатор тактовой частоты (СТЧ), выход которого соединен со вторым входом АЦП, при этом второй выход опорного генератора соединен со вторым входом приемного блока, третий вход которого подключен ко второму выходу блока управления, третий выход которого является выходом устройства,  а четвертый выход соединен с третьим входом ЦПУ, кроме того, выход КПУ соединен с четвертым входом ЦПУ, группа входов-выходов блока управления соединена шиной с группой входов-выходов корреляционного приемного устройства (КПУ) соответственно, первый вход приемного блока является входом устройства, , введены цифровой вычислительный синтезатор (ЦВС), один вход которого соединен с выходом СТЧ, а другой подсоединен к первому выходу блока управления, а также между выходом ЦПУ и первым входом КПУ включен дециматор, причем выход ЦВС соединен со вторыми входами ЦПУ, дециматора и КПУ.
Функциональная схема заявляемого устройства приведена на фиг. 2, где приняты следующие обозначения:
1 - приемный блок;
2 - цифровое приемное устройство (ЦПУ);
3 - корреляционное приемное устройство (КПУ);
4 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
5 - синтезатор тактовой частоты (СТЧ);
6 - блок управления;
7 - опорный генератор;
8 - цифровой вычислительный синтезатор (ЦВС);
9 - дециматор.
Предлагаемое устройство содержит приемный блок 1, первый вход которого является входом устройства, а выход приемного блока 1 через последовательно соединенные АЦП 4, ЦПУ 2 и дециматор 9 подключен к первому входу КПУ 3, выход которого подключен к четвертому входу ЦПУ, кроме того, последовательно соединенные опорный генератор 7 и СТЧ 5, выход которого соединен со вторым входом АЦП 4, первым входом ЦВС 8, выход которого подключен к вторым входам ЦПУ 2, дециматора 9 и КПУ 3. При этом второй выход опорного генератора 7 соединен со вторым входом приемного блока 1, третий вход которого подключен ко второму выходу блока управления 6, первый выход которого соединен с вторым входом ЦВС 8, третий выход блока управления 6 является выходом устройства, а четвертый выход подключен к третьему входу ЦПУ 2. Причем группа входов-выходов блока управления 6 соединена шиной с группой входов-выходов КПУ 3 соответственно.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Перед началом цикла поиска сигнала блок управления 6 устанавливает параметры поиска путем передачи управляющей информации на приемный блок 1, ЦПУ 2, ЦВС 8 и КПУ 3.
ОГ
Д
Опорный генератор 7 выдает сигнал стабильной частоты F, который поступает на входы приемного блока 1 и СТЧ 5. СТЧ 5 формирует сигнал с постоянной частотой F, который затем с выхода СТЧ 5 поступает на входы АЦП 4, ЦПУ 2 и ЦВС 8.
Д
Из сигнала с постоянной частотой F ЦВС 8 формирует и подает на входы ЦПУ 2, дециматора 9 и КПУ 3 импульсы с частотой, равной удвоенной тактовой частоте ПСП. Код для формирования импульсов поступает от блока управления 6.
Входная смесь полезного сигнала, шумов и широкополосных помех поступает в приемный блок 1, в котором происходит предварительная селекция, перемножение на сигнал стабильной частоты, синтезируемый из сигнала опорного генератора 7, режекция участков спектра, пораженных узкополосными помехами, бланкирование импульсных помех и усиление до фиксированного среднего уровня.
Полученный сигнал с выхода приемного блока 1 поступает на вход АЦП 4, где осуществляется дискретизация сигнала с частотой синтезатора тактовой частоты, и преобразование в параллельный двоичный код.
Преобразованный сигнал поступает на вход ЦПУ 2, где осуществляется выделение комплексных огибающих сигнала.
Далее оцифрованный сигнал с выхода ЦПУ 2 поступает на вход дециматора 9, где происходит его децимация до минимально необходимой частоты дискретизации, равной удвоенной тактовой частоте модулирующих последовательностей.
Далее оцифрованный сигнал с выхода дециматора 9 поступает на вход КПУ 3, где производятся следующие этапы корреляционной обработки: накопление и сложение нескольких периодов повторения синхросигнала, перемножение с опорным сигналом, вычисление функции взаимной корреляции входного и опорного синхросигналов при помощи двойного преобразования Фурье, определение максимального и среднего значения квадрата модуля функции взаимной корреляции, вычисление отношения сигнал/шум, сравнение с порогом, принятие решение об обнаружении или отсутствии информационного сигнала в радиоканале, проверка достоверности обнаружения, а также осуществляется автоподстройка частоты и фазы сигнала. Выделенная информация поступает на вход блока управления 6, анализируется для принятия решений коррекции параметров и затем передается на выход устройства.
Далее приводится пример расчета оптимальных значений частот дискретизации, которые формируются в СТЧ 5. Из сформированного в СТЧ 5 сигнала с требуемой частотой дискретизации ЦВС 8 формирует сигнал с частотой, кратной двойной тактовой частоте ПСП, что обеспечивает на выходе дециматора 9 сигнал с частотой, являющейся минимально необходимой частотой дискретизации для КПУ 3.
Известно [3], что для обеспечения максимального расстояния между участками спектра дискретизированного сигнала (фиг. 3) целесообразно выбирать частоту дискретизации, близкую к значению
(1)
или
(2)
Д
ПЧ
n
где F - частота дискретизации, F- промежуточная частота, - целое число, характеризующее наложение спектров при дискретизации сигнала [3, стр.72-80]. На практике значение n выбирается на этапе разработки, исходя в первую очередь из характеристик быстродействия применяемой элементной базы, и не меняется в процессе работы.
ΔF
При этом выполняется условие для полосы частот сигнала
ΔF < 0.5
F
Д
* . (3)
ПЧ
ΔF
Расчет оптимальных значений частот дискретизации для стандартного значения промежуточной частоты F= 70МГц и сигнала с полосой частот  = 5МГц по формулам 1 и 2 приведен в таблице 1.
Таблица 1
n
0
1
2
3
4
5
6
7
F<sub>Д</sub>, МГц
280
5693.3
3140
21.525.4
16.518.6
13.314.7
11.212.1
-10
F
Д
Для частоты дискретизации = 21.5 МГц спектр дискретизированного сигнала имеет вид, изображенный на фиг. 3, а. При частоте дискретизации выше 22.5 МГц или ниже 19.57 МГц начинается наложение участков спектра сигналов (фиг. 3, б-в). Таким образом, диапазон допустимых изменений частоты дискретизации, следовательно, и тактовой частоты ПСП составляет менее 12%.
Для заявляемого устройства при фиксированной частоте дискретизации 21.5 МГц полоса сигнала может быть увеличена до 10.7 МГц и уменьшена до 1-10 кГц. Соответственно, тактовая частота ПСП может быть увеличена до 5 МГц и уменьшена до 1-10 кГц по сравнению с устройством-прототипом.
0
7
В заявляемом устройстве ЦВС 8 может быть реализован на базе микросхемы 1508ПЛ8Т (ГУП «НПЦ «Элвис» г. Зеленоград) или аналогичных ей по функциональности [4, 5]. Один из вариантов практической реализации ЦВС 8 на основе накапливающих сумматоров приведен в [7, стр. 268, рис. 4.80], где вход Н является входом тактовой частоты, входы х - х являются входами кода частоты, поступающими на ЦВС 8 от блока управления 6, выход является выходом ЦВС 8.
Дециматор 9 может быть реализован на базе устройств, описанных в [3, стр. 629 - 668], в том числе и в программной форме.
Блок управления 6 может быть реализован как устройство управления для помехозащищенной радиотехнической системы [6].
Прочие блоки могут быть реализованы на базе микросхем и устройств, описанных в [2].
Таким образом, совокупность введенных в предлагаемом устройстве новых блоков и их связей позволяет устранить ограничения на допустимый диапазон изменения тактовой частоты, а также на выбор промежуточной частоты в приемном блоке, что в итоге позволяет улучшить возможности устройства, реализующего цифровую обработку, в плане оптимизации процессов поиска, приема и синхронизации сложного сигнала.
Достигаемый технический результат - расширение допустимого диапазона изменения тактовой частоты ПСП при фиксированном значении промежуточной частоты сигнала.
Источники информации
1. Патент РФ №1840292. Приемное устройство широкополосных сигналов: МПК H04B 7/00 / А.П. Биленко, Н.И. Козленко, Р.Н. Рыжкова, Н.И. Пополитов, Ю.В. Левченко; заявитель и патентообладатель Воронежский научно-исследовательский институт связи (RU) / №3060708/09, заявл. 28.02.1983, опубл. 27.08.2006, Бюл. №24.
2. Патент РФ №2691731. Приемное устройство широкополосных сигналов: А.Н. Асосков, Ю.В. Левченко, И.Н. Малышева, Ю.А. Плахотнюк (RU); заявитель и патентообладатель АО «Концерн «Созвездие» / №2018126865, заявл. 23.07.2018. опубл. 18.06.2019, Бюл. № 17.
3. Айфичер Э.С., Джервис Б.У. Цифровая обработка сигналов: практический подход, 2-е изд. / М.: Изд.дом «Вильямс», 2004. - 992 с.
4. http://www.multicore.ru - радиоэлектронные компоненты компании ГУП «НПЦ «Элвис» (г. Зеленоград).
5. http://www.analog.com/ru/analog-to-digital-converters/ad-converters/ products/index.html - радиоэлектронные компоненты компании "Analog Device".
6. Патент РФ №127957. Устройство управления для помехозащищенной радиотехнической системы: МПК G05B 19/05 / А.Н. Асосков, Ю.В. Левченко, И.Н. Малышева, Ю.А. Плахотнюк (RU); заявитель и патентообладатель ОАО «Концерн «Созвездие». № 2012149703/08; заявл. 21.11.2012, опубл.10.05.2013, Бюл. № 13. 3 с.
7. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах: справочник. / М:. Радио и связь, 1990. - 304 с.