ЦИФРОВОЙ ГЕТЕРОДИН НА ПРОГРАММИРУЕМОЙ ЛОГИЧЕСКОЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМЕ

Полезная модель относится к радиоастрономической аппаратуре, а точнее - к видеоконверторам систем преобразования сигналов (СПС), которые выделяют из цифрового широкополосного сигнала промежуточной частоты (ПЧ) сигнал со сравнительно узкой полосой и преобразуют выделенный сигнал в область видеочастот.
т
т
т
ε
В радиоастрономических СПС широко используются видеоконверторы, которые выделяют сравнительно узкополосные (до 16 МГц) аналоговые шумовые сигналы из широкополосных сигналов промежуточных частот (ПЧ) и преобразуют их к видеочастотам (см. например, патент на полезную модель RU 122810 U1. МПК H03D 7/00. / А.В. Ипатов, Н.Е. Кольцов, Л.В. Федотов. Система преобразования и регистрации сигналов для радиоастрономического интерферометра. Опубл. 10.12.12. Бюл. №34. или статью Гренков С.А., Носов Е.В., Федотов Л.В., Кольцов Н.Е. Цифровая радиоинтерферометрическая система преобразования сигналов. // Приборы и техника эксперимента. - М.: Наука. 2010. №5. С. 60-66). В последние годы сигналы ПЧ с широкой (512 МГц) полосой преобразуются в цифровые последовательности с тактовой частотой F=1024 МГц (см. например, статью Кольцов Н.Е., Федотов Л.В., Маршалов Д.А., Носов Е.В. Цифровая система преобразования сигналов для астрономических радиоинтерферометров // Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2014. Вып. 1. С. 34-40, а также патенты на полезные модели RU 166692 U1. МПК H03D 7/00, G01R 31/28, G01R 23/16. / Н.Е. Кольцов, Л.В. Федотов. Приемно-регистрирующий канал радиотелескопа. Опубл. 10.12.16. Бюл. №34 или RU 101842 U1. МПК G01R 21/133. / С.А. Гренков, Н.Е. Кольцов, Л.В. Федотов. Широкополосный радиометр с селекцией радиопомех. Опубл. 27.01.11. Бюл. №3). Чтобы совместить традиционные аналоговые СПС и новые системы цифрового преобразования сигналов ПЧ, необходимы цифровые гетеродины для видеоконверторов, выделяющих сигналы с относительно узкими (до 16 МГц) полосами из высокоскоростного цифрового сигнала с полосой в сотни мегагерц (например, 512 МГц). Цифровые радиоастрономические системы преобразования сигналов обычно выполняются на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС). Одной из наиболее сложных задач является разработка цифрового гетеродина на ПЛИС для видеоконвертора, который должен формировать гетеродинные сигналы с той же тактовой частотой F, какую имеет входной высокоскоростной (широкополосный) сигнал ПЧ, и перестраиваться в полосе частот Δƒ=F/2 с шагом ν, принятым в радиоастрономических системах. Обычно ν=10 кГц, а тактовая частота равна одному из значений ряда 2 МГц, где ε - целое положительное число. Здесь в качестве гетеродина невозможно использовать известные генераторы цифровых сигналов, рассматриваемые, например, в «Прямой цифровой синтез частоты и его применение» (О. Стариков // Инженерная практика, №3, 2002. С. 56-64). Это потому, что в видеоконверторе радиоастрономической системы отношение F/ν не равно целочисленной степени двух.
Для видеоконвертора радиоастрономической системы разработан цифровой гетеродин, описанный в заявке на полезную модель №2017115688/07 (027195), МПК Н04В 1/16, H03D 7/18. Этот гетеродин принят в качестве прототипа заявляемой полезной модели.
т
г
Прототип содержит схему формирования кодов фаз α(i) гетеродинных сигналов, где i - порядковый номер кода гетеродинного сигнала, два банка кодов гетеродинных сигналов (синусного и косинусного), которые адресными входами подключены к выходу формирователя кодов фаз, датчик кода частоты гетеродина и генератор импульсов тактовой частоты F, которыми тактируются узлы гетеродина. Формирователь кодов фаз в известном устройстве (прототипе), содержит накопитель кодов фаз, компаратор кодов, инвертор меандра тактовой частоты и элементы коммутации. В каждом банке кодов гетеродинных сигналов записано N кодов гармонического сигнала, различающихся по фазе на ϕ=2π/N. На каждом такте формирователь кодов фаз вычисляет текущее значение фазы α(i), изменяя его в пределах 2π с шагом Δα=b ϕ, где b - код частоты гетеродина ƒ, который задается датчиком кода частоты.
max
max
max
max
max
т
т
т
Недостаток известного устройства (прототипа) - неширокий рабочий диапазон частот Δƒ. Диапазон перестройки частоты гетеродина по крайней мере в 2 или в 4 раза меньше максимальной полосы частот входного цифрового сигнала B, который может воспринимать видеоконвертор системы. Максимальная полоса B=0,5F, где F - максимальная тактовая частота входного цифрового сигнала. Для ПЛИС фирмы Xilinx 7-го поколения (например, XC7K325T) допустимы тактовые частоты до 550 МГц. В радиоастрономической аппаратуре возможна частота F=512 МГц, при которой обеспечивалась бы обработка сигналов с полосой до 256 МГц. В гетеродине видеоконвертора тактовую частоту F приходится уменьшать хотя бы в 2 раза, так как в известном устройстве в течение одного такта формирования кода фазы α(i) выполняются две смещенные по времени операции управления коммутаторами. Часто снижают частоту F даже в 4 раза, чтобы уменьшить затраты блоков умножения в ПЛИС. Соответственно рабочий диапазон частот Δƒ=F/2 гетеродина сужается до 128 МГц или до 64 МГц.
т
т
max
т1
т
1
т
т
Цель заявляемой полезной модели - расширение частотного диапазона перестройки гетеродина, что позволит расширить рабочую полосу частот цифрового видеоконвертора СПС. Эта цель достигается за счет того, что в гетеродин, содержащий формирователь кодов фаз гетеродинного сигнала, соединенный по входу с датчиком кода частоты, а по выходу - с адресными входами банка синусного гетеродинного сигнала и банка косинусного гетеродинного сигнала, а также генератор импульсов тактовой частоты, введены дополнительно n-1 банков синусных сигналов и n-1 банков косинусных сигналов, соединенных адресными входами с выходом упомянутого формирователя кодов фаз, а также два n-канальных мультиплексора, один из которых подключен к выходам n банков синусных сигналов, а другой - к выходам n банков косинусных сигналов, и делитель частоты на n, соединенный по входу с упомянутым генератором импульсов тактовой частоты, причем генератор импульсов тактовой частоты соединен с тактирующими входами обоих мультиплексоров, а выход делителя частоты на n соединен с тактирующими входами упомянутого формирователя кодов фаз и всех банков синусных и косинусных гетеродинных сигналов, а выходы мультиплексоров являются выходами гетеродина. При этом записанные в эти банки коды гетеродинных сигналов смещены по фазе один относительно другого. Входной широкополосный сигнал поступает на вход видеоконвертора с высокой тактовой частотой F (например, F=F), а формирователь кодов фаз и банки кодов гетеродинных сигналов работают с пониженной тактовой частотой F=F/n. Но на каждом такте формируются одновременно по n сдвинутых по фазе на ϕ=ϕ/n кодов синусных и косинусных гетеродинных сигналов, которые воспринимает n-канальный мультиплексор, работающий с тактовой частотой F. С выхода каждого мультиплексора снимается последовательность кодов гетеродинного сигнала (синусного и косинусного) с той же частотой F, с которой в видеоконвертор поступает широкополосный сигнал.
На рисунке показана схема видеоконвертора с заявляемым цифровым гетеродином, где обозначено:
г
1 - датчик кода рабочей частоты гетеродина ƒ;
2 - формирователь кодов фаз α(i);
1
n
3, …, 3 - банки кодов синусного сигнала;
1
n
4, …, 4 - банки кодов косинусного сигнала;
5 - мультиплексор синусного гетеродинного сигнала;
6 - мультиплексор косинусного гетеродинного сигнала;
т
т
7 - генератор импульсов тактовой частоты F (меандр частоты F);
8 - делитель частоты на n;
9 - выход синусного гетеродинного сигнала;
10 - выход косинусного гетеродинного сигнала;
11 - заявляемый цифровой гетеродин видеоконвертора.
1
n
1
n
1
n
1
n
т
1
n
1
n
В заявляемом цифровом гетеродине 11 датчик кода частоты 1 соединен с установочным входом формирователя кодов фаз 2, выход которого соединен с адресными входами всех банков синусных сигналов 3, …, 3 и косинусных сигналов 4, …, 4. Выходы банков 3, …, 3 соединены с мультиплексором 5, выход 9 которого является первым выходом гетеродина. Он подключается к одному из гетеродинных входов видеоконвертора СПС. Выходы банков 4, …, 4 соединены с мультиплексором 6, выход 10 которого является вторым выходом гетеродина. Он подключается ко второму гетеродинному входу видеоконвертора СПС. Генератор тактовой частоты F 7 соединен непосредственно с тактирующими входами мультиплексоров 5 и 6, а через делитель частоты 8 - с тактирующими входами формирователя кодов фаз 2 и всех банков 3, …, 3, 4, …, 4. Выход генератора 7 предназначен для тактирования схемы видеоконвертора.
1
n
1
1
n
Цифровой гетеродин 11 выполнен полностью на функциоанльных элементах, имеющихся в структуре ПЛИС. По схеме и принципу действия формирователь кодов фаз 2 и датчик кода частоты 1 не отличаются от таких же узлов в известном устройстве (в прототипе). В банках 3, …, 3 записаны N кодов функции синуса, разнесенных по фазе интервалом ϕ=2π/N, но последовательности этих кодов в разных банках данных смещены по фазе один относительно другого на фазовый интервал ϕ=ϕ/n. Так же записаны коды функций косинуса в банках 4, …, 4.
г
1
n
т1
т
1
1
n
т1
т
т
т1
т1
Заявляемый цифровой гетеродин работает следующим образом. С управляющего компьютера в датчик 1 вводится код b, который определяет шаг Δα=b ϕ изменения текущей фазы α(i) гетеродинного сигнала и, соответственно, рабочую частоту гетеродина ƒ. Принцип формирования текущих значений фаз и генерируемого гетеродинного сигнала заданной частоты подробно изложен в описании полезной модели по заявке №2017115688/07 (027195), МПК Н04В 1/16, H03D 7/18. Банки 3, …, 3 транслируют с тактовой частотой F=F/n синусные гетеродинные сигналы, смещенные между собой по фазе на ϕ, в мультиплексор 5. Так же в банках 4, …, 4 формируются косинусные сигналы, которые поступают в мультиплексор 6. Мультиплексором совокупность n гетеродинных сигналов пониженной тактовой частоты F преобразуются в выходной сигнал высокой тактовой частоты F. При этом возможный диапазон перестройки гетеродина расширяется в n раз по сравнению с прототипом. Ширина диапазона перестройки может достигать 0,5F, т.е. 256 МГц при F=256 МГц и n=2 или при F=128 МГц и n=4.
т
т1
Предлагаемое решение проверено на макете видеоконвертора с цифровым гетеродином, выполненным по заявляемой схеме. Макет, изготовленный на ПЛИС типа XC7K325T, обеспечивал выделение сигнала с полосой 16 МГц из цифрового сигнала с тактовой частотой F=512 МГц (полоса 256 МГц). Синусные и косинусные гетеродинные сигналы формировались с помощью четырех банков кодов и 4-канального мультиплексора. Фазы гетеродинных сигналов формировались с тактовой частотой F=128 МГц. Испытания макета подтвердили достоверность предлагаемого технического решения.