СВЧ-ПРИЕМНИК С ЦИФРОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКОЙ ЧАСТОТЫ

Устройство относится к радиотехнике, в частности к радиоприемным устройствам связи СВЧ, и может быть использовано для точной автоподстройки частоты, также может быть использовано в устройствах метео-РЛС для приема информации от радиозондов.
Профессиональные радиоприемные устройства обеспечивают вхождение в связь без поиска и ведения связи без ручной подстройки. Эта задача решается повышением частотной точности приемника и применением автоматической подстройки частоты (АПЧ), которая осуществляет коррекцию неточности первоначальной установки частоты настройки приемника и уменьшает расстройку, возникающую в процессе приема сигнала за счет нестабильности гетеродина приемника и частоты передатчика. Классическая схема АПЧ содержит, кроме элементов основного тракта приемника, дополнительные элементы: дискриминатор и управитель. Дискриминатор предназначен для определения величины отклонения частоты от ее номинального значения. Управитель обеспечивает необходимое изменение частоты управляемого генератора, см. "Радиоприемные устройства" В.Д.Якимов и К.М.Павлов, М., Связь, 1975, стр.334-338.
Недостатками этого способа являются: малый коэффициент автоподстройки в силу применения аналогового принципа; в СВЧ-приемниках этот принцип вообще неэффективен (даже при применении ФАПЧ), так как может быть захвачена неосновная частота; при малом отношении сигнал-шум, что особенно характерно при отношении меньше двух, этот способ почти неработоспособен.
Известны импульсные АПЧ, которые обеспечивают постоянство промежуточной частоты, подстраивая частоту гетеродина по принятому сигналу, см. "Основы радиотехники", Т.Т.Машкова и С.Н.Степанов, М., Радио и связь,
1992, стр217.
Недостатками этих АПЧ являются следующие: требуют наличие двух детекторов (частотного и пикового); низкая помехоустойчивость; сложность использования одновременно АПЧ и автоматической регулировки усиления (АРУ).
Известен синхронный гетеродинный радиоприемник с системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) (см. заявку №93018635), в котором колебания гетеродина модулируются низкой частотой, что позволяет применить усилители переменного напряжения, кроме того в приемнике применена АРУ, что в итоге позволило повысить стабильность, чувствительность и помехоустойчивость.
К его недостаткам относится: сложность схемотехнического решения, требующего дополнительного генератора НЧ, модулятора и пр.; объединение в одном канале АПЧ и АРУ, что обуславливает взаимное влияние этих регулировок друг на друга, а в результате на весть приемный тракт.
В современных приемниках находят применение цифровые схемы АПЧ, работающие совместно с цифровыми индикаторами частоты, см. например, "Радиооборудование самолетов", Сафронов Н.А., М., Машиностроение, 1978, в которых частота сигнала на выходе АПЧ оцифровывается, подается на микропроцессор, где сравнивается с заданной (записанной в ОЗУ), а полученная разность используется для регулировки гетеродина.
Недостатками таких приемников являются следующие: в тракте также используется АРУ, а совместное использование этих двух регулировок, особенно в СВЧ диапазоне, может привести (и приводит) к пропаданию полезного сигнала, если например, для связных приемников это не особенно страшно, то для приемников метео-РЛС это приводит к невосполнимой потери информации.
Наиболее близким техническим решением является цифровая система регулирования частоты гетеродина с использованием цифрового синтезатора частот, в котором используется импульсный частотный детектор, кварцевый
генератор, реверсивный счетчик импульсов, ЦАП, делитель частоты с переменным и фиксированным коэффициентом деления, формирователи импульсных последовательностей и гетеродин с соответствующими соединениями, см. «Радиоприемные устройства», под ред. Н.Н.Фомина, М, Р и С, 1996 г., стр.373-378 - ПРОТОТИП.
К недостаткам прототипа следует отнести: сложность схемно-технического решения, которая все равно не решает поставленную задачу - однозначность в определении синтезирующей частоты, особенно при низких соотношениях сигнал/шум; далее, взаимное влияние автоматических регулировок АРУ и АПЧ друг на друга, что отрицательно сказывается на качестве приема полезной информации.
Технической задачей является повышение эффективности регулировок АРУ и АПЧ в условиях дестабилизирующих факторов (низком отношении сигнал-шум и пр.) за счет:
построения предлагаемого схемотехнического решения;
технологической прозрачности;
низкой стоимости аппаратных средств.
Для решения поставленной задачи предлагается СВЧ-приемник с цифровой автоподстройкой частоты, содержащий: входной канал, частотный канал и информационный канал; входной канал содержит приемную антенну, малошумящий усилитель (МШУ), первый и второй смесители, первый и второй генеродины и первый УПЧ, соединенные следующим образом: приемная антенна, являющаяся входом канала и СВЧ-приемника, соединена со входом МШУ, выход которого как и выход первого гетеродина соединены с входами первого смесителя, выход которого через первый УПЧ, как и выход второго гетеродина соединены со входами второго смесителя, выход последнего является информационным выходом входного канала, а выход первого УПЧ является частотным выходом этого канала, управляющий вход гетеродина является частотным входом этого канала; информационный канал содержит: второй УПЧ, полосовой фильтр, частотный детектор, линейный видеоусилитель
(ЛВУ) с АРУ, соединенные следующим образом: вход информационного канала (выход второго смесителя входного канала) через второй УПЧ, полосовой фильтр и частотный детектор, соединенные последовательно, соединен с входом ЛВУ, выход которого является выходом СВЧ-приемника, выходы АРУ ЛВУ соединены с управляющим входом УПЧ 2 и регулирующим входом МШУ входного канала; частотный канал содержит: первый и второй синтезатор, микроконтроллер, третий смеситель, гетеродин и УПЧ, АЦП, PLD и схему внешнего управления со следующими соединениями: входной сигнал (выход первого УПЧ входного канала) соединен с третьим смесителем, выход которого через третий УПЧ соединен с аналоговым входом АЦП, цифровой выход которого через PLD соединен с внутренним ОЗУ микроконтроллера, выходы которого соединены с первым и вторым синтезаторами, а выходы последних соединены с первым (плавная автоподстройка) и третьим гетеродинами (сканирования частоты), третий гетеродин своим выходом соединен с управляющим входом третьего смесителя, схема внешнего управления соединена с задающими входами микроконтроллера, выход которого соединен с управляющими входами АЦП.
На фиг.1 представлена структурная схема СВЧ-приемника, на фиг.2 - алгоритм работы нахождения нужной частоты, на фиг.3 - АЧХ частотного канала, определяемая структурная схема имеет следующие соединения: антенна А, являющаяся входом СВЧ-приемника, через МШУ 1 соединена с одним входом первого смесителя 2, со вторым входом которого соединен выход первого гетеродина 8, выход первого смесителя через первый УПЧ 5 соединен с одним входом второго смесителя 3, со вторым входом которого соединен выход второго гетеродина 9, выход второго смесителя через последовательно включенные второй УПЧ 6, полосовой фильтр 15 и частотный детектор 16 соединен с ЛВУ 17, АРУ которого по цепям отрицательной ОС одним выходом соединена с регулирующим входом МШУ1, а другим выходом с регулирующим входом второго УПЧ 6, выход ЛВУ является выходом СВЧ-приемника; выход первого УПЧ 5 соединен также с третьим смесителем
4, выход которого через третий УПЧ 7 соединен с аналоговым входом АЦП 18, цифровой выход которого через PLD 19 соединен с ОЗУ МК 13, последний сигнальными выходами соединен с первым и вторым синтезаторами 11 и 12 соответственно, последние соединены с управляющими входами первого 8 и второго 10 гетеродинов, выходы которых соединены с первым 2 и третьим 4 смесителями соответственно, выход МК 13 управляющими сигналами соединен с АЦП 18, а схема внешнего управления 14 соединена с задающим входом МК 22.
Указанные узлы и блоки могут быть выполнены на следующих ЭРЭ и ИМС: МШУ 1 выполнен, например, на интегральной арсенид-галлиевой ИМС типа MGA-86563, см. каталог фирмы Hewlett Packard "Communications Components Designer's Catalog 1998", p.6-220; смесители 2, 3 и 4 могут быть выполнены на смесительных диодах, например, на обращенных туннельных диодах, варикапах, на диодами с барьерами Шоттки (см. "Микроэлектронные устройства СВЧ", под. ред. Г.И.Веселова, М., Высшая школа, 1988, стр.226-227); УПЧ 5, 6 и 7 могут быть выполнены, например, на полевых транзисторах с пьезокерамическим фильтром, см. "Радиоприемные устройства", В.Д.Екимов и др., М., Связь, 1975, стр.159; синтезаторы 11 и 12 могут быть выполнены на ИМС UMA1020 фирмы Philips, см. "Product Specification", 1995, Jun 15, File under integrated Circuits; АЦП 18 - быстродействующий 8-12 разрядный, например, на ИМС AD571KN с fпр=40 МГц, см. "Зарубежные интегральные микросхемы", А.В.Нефедов и др., М., Энергоатомиздат, 1989, стр.132; PLD 19 может быть выполнен на базовом матричном кристалле, см. ж. Chip News, М., Август 2000, стр.18-21; микроконтроллер 13 может быть выполнен на ИМС 80Х196КС, см. "Микроконтроллеры" под ред. Н.А.Казаченко, М, 1997, статья "Руководство по применению в системах управления 16 разрядных МК Jntel во встроенных системах управления"; частотный детектор 16 может быть выполнен по схеме см. "Радиоприемные устройства", под ред. Н.Н.Фомина, М., Р и С, 1996, стр.330-332; АРУ по схеме см. "Радиоприемные устройства", под ред. Н.Н.Фомина, М., Р и С,
1996, стр.402-404.
СВЧ-приемник с цифровой автоподстройкой частоты работает следующим образом. Вначале следует заметить, что информационные сигналы, поступающие на вход приемника представляют собой (для случая работы с аэрологическими радиозондами) СВЧ-сигналы с основной несущей частотой и модулирующими частотами, которые являются носителями телеметрической и радиолокационной информации. Входной СВЧ-сигнал через приемную антенну А поступает на МШУ 1, предназначенный для компенсации потерь на входе МШУ 1 увеличения отношения сигнал-шум всего приемника, предотвращение проникновения паразитного излучения радиочастоты смесителя 2 в приемную антенну А и для создания оптимального приема сигналов некогерентного режима работы. Выделенный на первом смесителе разностный сигнал частоты 260 кГц усиливается на первом УПЧ 5, вновь проходит второе преобразование на втором смесителе 3 при помощи второго гетеродина 9 до частоты 60 кГц, усиливается на втором УПЧ 6 (с широкой полосой пропуская Δf=4 кГц), отфильтровывается на полосовом фильтре 15, детектируется частотным детектором 16 и через ЛВУ 17 имеет полезный информационный сигнал; АРУ с выходов ЛВУ/АРУ 17 целью ООС связана с вторым УПЧ 6 полной величиной напряжения и частью этой величины с МШУ 1 («щадящая» АРУ) в случае насыщения ЛВУ, т.е. при очень большой величине сигнала на входе СВЧ-приемника, когда АРУ на втором УПЧ 6 не «справляется» с его величиной и происходит насыщение информационного сигнала. Одновременно сигнал f=260 кГц с первого УПЧ 5 поступает на третий смеситель 4, где смешивается с сигналом третьего гетеродина 10 с f=320 кГц и на выходе имеем разностную частоту 60 кГц, амплитуда которой оцифровывается АЦП 18 и в виде параллельного кода поступает на PLD 19, в которой принятое значение сигнала преобразуется в форму удобную для записи в ОЗУ МК 13, т.е. формируется адресная часть, данные, временные соотношения между сигналами управления, записи и т.д. Эти данные регулярно записываются в ОЗУ МК 13 с частотой выборки АЦП 18 (в нашем
случае это единицы МГц). Программа нахождения частоты, имеющей максимальную амплитуду, записана в ПЗУ МК 13, по этой программе с частотой выборки АЦП 18 проходим спектр частот сигнала и определяем ту частоту, амплитуда которой максимальна, затем управляя синтезаторами 11 и 12, на этой частоте получаем максимальный сигнал на выходах УПЧ 5 и 7; можно по этому принципу, но по другому алгоритму, записанному также в ПЗУ МК 13, определять частоту, соответствующую энергетическому максимуму сигнала, для чего определяется площадь снятой АЧХ и находится центр ее «тяжести» (геометрический центр), частота, на которой он находится, и является искомой. Таким образом, найденная искомая частота определяет максимум сигнала на выходах УПЧ 5 и 7. Видим, что при таком построении схемы информационный канал 22 имеет собственную регулировку только по усилению (АРУ), а частотный канал 21 определяет регулировку по частоте, образно говоря, каждый канал занимается своим делом, но частотный канал 21 по частоте разгружает информационный 22, оставляя последнему функцию только обработки информации. Внешняя схема управления 14 служит для внесения изменений в программу работы МК 13 в случае необходимости, например, выбор работы модулячастотного канала 21 АПЧ 18 по амплитуде или энергетическому максимуму (определяется, исходя из следующих условий: по амплитуде имеем высокое быстродействие, по энергетическому максимуму - высокую эффективность или достоверность, повышенную помехоустойчивость, но более низкое быстродействие).
На АЧХ (фиг.3) видно, что реально снятые характеристики (4 кривые) имеют очень большую сходимость при разных соотношениях сигнал-шум, т.е. отклонения кривых друг от друга связаны с различием случайных шумовых реализации, а небольшой "горб" на частоте 1770 МГц может быть при работе частотного канала 21 АПЧ по амплитуде принят устройством за истинную искомую величину, а при работе по энергетическому максимуму это не произойдет, т.к. будет обсчитана вся площадь АЧХ и ложного захвата не будет.