КОМПЛЕКС ПОЛУНАТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ В КАНАЛАХ С ЧАСТОТНО-ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫМ РАССЕЯНИЕМ

Настоящее техническое решение относится к радиосвязи, радиолокации и радионавигации и может использоваться для тестирования и апробации на стадии проектирования радиотехнических систем различного назначения, предназначенных для функционирования в изменяющихся внешних условиях.
Современные средства радиосвязи, радиолокации и радионавигации характеризуются сложностью конструкции, высокой стоимостью разработки, необходимостью их функционирования в динамически изменяющихся внешних условиях, кроме того, требуется обеспечить мобильность системы, т.е. возможность функционировать с заданными параметрами качества при движении приемника и (или) передатчика. Для прогноза параметров функционирования радиотехнической системы на этапе проектирования и отладки применяются специальные устройства - имитаторы радиосигналов, которые используются для того, чтобы провести испытания радиотехнической системы, не прибегая к натурным испытаниям. Имитаторы формируют радиосигнал, имеющий характеристики, близкие к характеристикам сигнала, который формируется при прохождении радиосигнала по реальному радиоканалу. С помощью этих устройств можно проверять работоспособность радиоприемника, исследовать помехоустойчивость, анализировать характеристики принимаемого сигнала, что позволяет повысить качество разрабатываемой продукции, сократить сроки производства и понизить стоимость конечного продукта.
Прототипом заявляемого технического решения является имитатор радиотехнических сигналов, разработанный фирмой Hewlett Packard, США, "Frequency Agile Signal Simulation" типа HP 8791 ( upload/All/HP8791 Model 100-8791.pdf), содержащий управляющую ЭВМ с интерфейсом и канал имитации, цифровой синтезатор частоты (ЦСЧ), соединенный своим выходом с первым входом преобразователя частоты. Преобразователь частоты имеет три ступени преобразования частоты для переноса спектра сигнала в 3-сантиметровый СВЧ диапазон, каждая из этих ступеней включает смеситель, фильтр, усилитель; и еще одну - четвертую, аналогичную по составу блоков ступень преобразования несущей частоты из 3-сантиметрового диапазона СВЧ в более низкий по частоте 10-сантиметровый рабочий диапазон, между первой и второй ступенями преобразования включен управляемый аттенюатор, и на выходе четвертой ступени преобразования включен выходной аттенюатор. Кроме того, имитатор содержит формирователь опорных частот и коммутатор опорных частот, которые схемотехнически объединены, причем четыре коммутируемых сетки частот подключаются соответственно к входам четырех ступеней преобразователя частоты, т.е. к гетеродинным входам смесителей ступеней преобразования.
Канал имитации содержит первый и второй модуляторы, выполненные в виде запоминающих устройств и конструктивно объединенных в одном блоке. Выход управления спектром сигнала первого модулятора подключен к входу цифрового синтезатора частоты (ЦСЧ), первый модулятор имеет также второй выход, посредством которого первый модулятор осуществляет управление коммутацией всех сеток опорных частот в формирователе опорных частот и коммутаторе опорных частот, а вход первого модулятора подключен к интерфейсу ЭВМ. Выход управления мощностью сигнала второго модулятора соединен со вторыми входами управляемого и выходного аттенюаторов, вход второго модулятора также подключен к интерфейсу ЭВМ.
Первый и второй модуляторы являются по существу банками данных, задаваемых от ЭВМ, в которых в виде цифровых кодов хранятся параметры модулирующих сигналов, а непосредственное преобразование цифровых кодов в форму спектральных составляющих сигнала, его несущую частоту и мощность производится в ЦСЧ, в формирователе и коммутаторе опорных частот, а также в управляемом и выходном аттенюаторах.
Основным недостатком прототипа является возможность формирования только радиосигналов определенных стандартов, записанных в память устройства.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является универсализация устройств полунатурного моделирования радиотехнических систем.
Техническим результатом является возможность использования одного и того же комплекса полунатурного моделирования для имитации различных нестандартных сигналов и сигналов, прошедших через реальный канал.
Технический результат достигается за счет того, комплекс полунатурного моделирования систем радиосвязи в каналах с частотно-пространственно-временным рассеянием, состоящий из управляющего компьютера с интерфейсом, согласно полезной модели дополнительно включает в себя модель радиопередатчика, соединенную входом управления с управляющим компьютером; выходом модель радиопередатчика соединена через первый разветвитель, регулируемый усилитель, второй разветвитель, аналого-цифровой преобразователь с имитатором отраженного сигнала, состоящим из второго смесителя, канала формирования помех, цифровой линии задержки, цифрового фильтра, первого сумматора, синтезатора частоты, интерполятора, генератора шума, интерфейса управления; выход синтезатора частоты соединен с управляющим входом смесителя, выход интерполятора соединен с управляющим входом цифрового фильтра; выход генератора шума соединен со вторым входом сумматора; выход смесителя соединен со входом цифровой линии задержки, выход цифровой линии задержки соединен со входом цифрового фильтра, выход цифрового фильтра соединен с первым входом сумматора; интерфейс управления имеет четыре выхода управления: первый выход управления соединен со входом синтезатора частоты, второй выход управления соединен со входом управления цифровой линии задержки, третий выход управления соединен со входом интерполятора, четвертый выход управления соединен со входом генератора шума; имитатор отраженного сигнала выполнен в цифровом виде с применением технологии программируемых логических интегральных схем (ПЛИС); первый разветвитель соединен с выходом модели радиоприемника, второй синтезатор частоты, соединен со входом первого смесителя; выход первого смесителя соединен со входом усилителя, выход которого соединен со входом первого управляемого аттенюатора; выход первого управляемого аттенюатора соединен с первым входом второго сумматора; вход управляющего интерфейса канала имитации отраженного сигнала, вход второго синтезатора частоты, вход управления первого управляемого аттенюатора через четырехвыходной источник сигнала управления соединен с выходом управляющего компьютера; выход канала формирования помех и выход сумматора имитатора отраженного сигнала через цифро-аналоговые преобразователи соединены с входами первого и второго аттенюатора соответственно; выход первого аттенюатора соединен с первым входом третьего сумматора, выход второго аттенюатора соединен со входом второго управляемого аттенюатора, на управляющий вход которого подан сигнал с выхода управляемого источника сигналов; выход второго управляемого аттенюатора соединен со вторым входом второго сумматора, остальные входы которого соединены соответственно с выходом первого управляемого аттенюатора и с выходом второго генератора шума; выход второго сумматора соединен с информационным входом приемника; выход приемника соединен со входом управляющего компьютера.
Технический результат достигается тем, что выполнение формирователя сигнала радиоканала и канала формирования помех с применением технологии ПЛИС позволяет при помощи управляющего компьютера перепрограммировать плату, т.е., не изменяя конструктивного решения устройства, исключительно программными методами можно изменить моделируемый радиоканал (его геометрические и электрофизические параметры).
Конструкция заявляемого комплекса полунатурного моделирования поясняется чертежами:
на фиг.1 представлена структурная схема комплекса полунатурного моделирования в общем случае;
Заявляемое устройство комплекса полунатурного моделирования (фиг.1) содержит следующие элементы модель радиопередатчика (1), управляющий компьютер (2), источник бесперебойного питания (3), первый разветвитель (4), регулируемый усилитель (5), первый смеситель (6), второй разветвитель (7), аналого-цифровой преобразователь (8), второй смеситель (9), канал формирования помех (10), цифровую линию задержки (11), цифровой фильтр (12), первый сумматор (13), первый цифро-аналоговый преобразователь (14), второй цифро-аналоговый преобразователь (15), управляемый источник сигнала (16), интерфейс управления (17), первый синтезатор частоты (18), интерполятор (19), первый генератор шума (10), второй синтезатор частоты (21), усилитель (22), первый управляемый аттенюатор (23), второй сумматор (24), второй управляемый аттенюатор (25), второй генератор шума (26), первый аттенюатор (27), второй аттенюатор (28), третий сумматор (29), управляемый радиоприемник (модель) (30).
Структурные элементы соединены следующим образом:
Модель радиопередатчика (1) входом управления соединена с выходом управляющего компьютера (2), управляющий компьютер (2) подключен к источнику бесперебойного питания (3) для возможности проведения непрерывного моделирования при возникновении нештатных ситуаций.
Выход радиопередатчика (1) соединен с входом двухвыводного первого разветвителя (4), первый выход которого соединен с входом регулируемого усилителя (5), второй выход - с первым входом первого смесителя (6). Выход регулируемого усилителя (5) соединен со входом двухвыводного второго разветвителя (7).
Первый выход второго разветвителя (7) соединен с входом аналого-цифрового преобразователя (8) имитатора отраженного сигнала. Выход аналого-цифрового преобразователя (8) соединен с первым входом второго смесителя (9) и входом канала формирования помех (10). Выход второго смесителя (9) соединен с первым входом цифровой линии задержки (11). Выход цифровой линии задержки (11) соединен с первым входом цифрового фильтра (12), выход которого соединен с первым входом первого сумматора (13). Выход первого сумматора (13) соединен со входом первого цифро-аналогового преобразователя (14). Выход канала формирования помех (10) соединен с входом второго цифро-аналогового преобразователя (15).
Для управления каналом имитации отраженного сигнала используется управляющий компьютер (2), подключенный вторым выходом к входу управления источника сигнала (16). Первый выход источника сигнала (16) соединен с входом интерфейса (17). Интерфейс (17) представляет собой согласующее устройство с четырьмя выходами, каждый из которых предназначен для формирования различных сигналов управления имитацией рассеянного сигнала. Первый выход предназначен задания частоты имитируемого сигнала. Он соединен с входом управления первого синтезатора частоты (18). Второй выход предназначен для генерации сигнала, управляющего временной задержкой имитируемого отраженного сигнала, второй выход соединен с входом управления цифровой линии задержки (11). Третий выход интерфейса (17) предназначен для управления формой имитируемого сигнала. Этот выход через интерполятор (19) соединен с входом управления цифрового фильтра (12). Четвертый выход интерфейса (17) предназначен для управления формированием шумовых параметров имитируемого отраженного сигнала, этот выход соединен с входом управления первого генератора шума (20). Выход первого генератора шума (20) соединен со вторым входом первого сумматора (13).
Второй выход источника сигнала (16) соединен с входом второго синтезатора частоты (21), выход второго синтезатора частоты (21) соединен со вторым входом первого смесителя (6). Выход первого смесителя (6) соединен через усилитель (22) с первым входом первого управляемого аттенюатора (23). Третий выход источника сигнала (16) соединен со вторым входом первого управляемого аттенюатора (23). Выход первого управляемого аттенюатора (23) соединен с первым входом второго сумматора (24). Четвертый выход источника сигнала (16) соединен с входом управления второго управляемого аттенюатора (25). Выход второго генератор шума (26) соединен со вторым входом второго сумматора (24).
Выход второго цифро-аналогового преобразователя (15) соединен с входом первого аттенюатора (27). Выход первого цифро-аналогового преобразователя (14) соединен с входом второго аттенюатора (28). Выход второго аттенюатора (28) соединен с первым входом третьего сумматора (29). Выход второго аттенюатора (28) соединен с первым входом второго управляемого аттенюатора (25). Выход второго управляемого аттенюатора (25) соединен со вторым входом третьего сумматора (29).
Выход сумматора (29) соединен с третьим входом второго сумматора (24). Выход сумматора (24) соединен с входом приемника (30). Приемник (30) входом управления и выходом соединен с управляющим компьютером (2).
Элементы с (8) по (15) и с (17) по (20) включительно выполнены на единой плате в цифровой форме с использованием технологий программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Такая технология позволяет с помощью управляющего компьютера (2) с предварительно установленным программным обеспечением, поставляемым в комплекте с конкретной ПЛИС, через интерфейс (17) программно изменять параметры элементов с (9) по (13), не изменяя конструкции платы.
Конструктивно плата имеет два входа и два выхода: один вход управления на интерфейсе (17) от выхода источника сигнала (16), другой вход сигнала на аналого-цифровой преобразователь (8) с разветвителя (7). Выходы платы - это выходы с цифро-аналоговых преобразователей (14) и (15).
Комплекс полунатурного моделирования функционирует следующим образом. На выходе радиопередатчика (1) генерируется сигнал, который требуется принять и обработать после прохождения определенного канала. Комплекс полунатурного моделирования формирует на входе исследуемого приемника (30) сигнал, адекватный реальному сигналу, прошедшему через реальный радиоканал. Для этого сигнал подается на имитатор сигнала прямого канала и имитатор отраженного сигнала. С целью подачи сигнала с одного выхода радиопередатчика на два входа в схеме устройства есть первый разветвитель (4). Сигнал с первого выхода разветвителя (4) через регулируемый усилитель (5) и второй разветвитель (7) поступает на аналого-цифровой преобразователь (8). Здесь происходит оцифровка аналогового сигнала для последующей обработки. С выхода аналого-цифрового преобразователя (8) сигнал поступает на вход имитатора отраженного сигнала. Для того, чтобы максимально адекватно провести физическое формирование сигнала, проводится предварительная обработка данных с использованием управляющего компьютера (2).
Для этого на управляющем компьютере (2) рассчитываются характеристики отраженного сигнала, который подлежит имитации и физическому формированию. Расчет характеристик производится на основе геометрической оптики и физической теории дифракции с применением трехмерной геометрической модели канала радиосвязи (план городской застройки, цифровые карты рельефа местности и другие планы и карты, позволяющие построить геометрическую модель местности, в которой будет функционировать испытываемое радиоприемное устройство). Рассчитываемыми характеристиками являются мощность сигнала, частота, временная задержка рассеянного сигнала относительно сигнала прямого канала. Далее компьютер, согласно рассчитанным характеристикам сигнала, вырабатывает сигнал управления, который поступает на вход управляемого источника сигналов (16).
Управляемый источник (16) генерирует сигналы управления и по соответствующим соединениям передает сигнал управления на интерфейс управления (17). Интерфейс управления (17) генерирует соответствующие сигналы и подает их на входы первого синтезатора частоты (18), цифровой линии задержки (11), интерполятора (19), первого генератора шума (20). С выходов этих блоков сигнал поступает на входы второго смесителя (9), цифрового фильтра (12), первого сумматора (13). С выхода первого сумматора (13) сигнал подается на вход первого цифро-аналогового преобразователя (14). Вход управляющего интерфейса (17) является входом конструктивного блока - печатной платы.
На печатной плате расположен канал формирования помех (10), на вход которого подан сигнал с выхода аналого-цифрового преобразователя (8), а сигнал с выхода канала формирования помех (10) подается на второй цифро-аналоговый преобразователь (15).
С выходов цифро-аналоговых преобразователей (14), (15) сигнал поступает на аттенюаторы (28) и (27) соответственно. Сигнал с выхода первого аттенюатора (27) поступает на соответствующий вход третьего сумматора (29), на выходе которого полностью формируется отраженный сигнал. Также на соответствующий вход третьего сумматора (29) поступает сигнал с выхода второго аттенюатора (28), подвергшийся преобразованию на управляемом от источника сигнала (16) аттенюаторе (25).
Управляемый источник сигналов (16) также является источником сигнала управления для имитации сигнала прямого канала. С соответствующего выхода источника сигнала (16) сигнал передается на вход второго синтезатора частоты (21), являющегося структурным элементом имитатора сигнала прямого канала. С выхода синтезатора частоты (21) сигнал поступает на один из входов первого смесителя (6), на второй вход которого подается сигнал с соответствующего выхода первого разветвителя (4). С выхода смесителя (6) сигнал поступает через усилитель (22) на первый управляемый аттенюатор (23). На вход управления аттенюатора (23) подается сигнал с соответствующего выхода источника сигнала (16). На выходе аттенюатора (23) формируется сигнал прямого канала.
Формирование полного сигнала происходит на выходе второго сумматора (24), на соответствующие входы которого подается сигнал с выхода третьего сумматора (29), первого управляемого аттенюатора (23) и второго генератора шума (26), который служит для привнесения в имитируемый сигнал случайных шумов. С выхода сумматора (24) сигнал поступает на вход исследуемого радиоприемного устройства (30). Устройство (30) проводит операции демодуляции и декодирования, после этого передает информацию на управляющий компьютер (2). На компьютере дальше можно проводить анализ полученной информации любыми доступными способами.
Для осуществления комплекса полунатурного моделирования как в общем случае, так и в частных случаях выполнения могут быть использованы известные в области радиоэлектроники устройства и элементы.
Реализовать комплекс полунатурного моделирования можно, например, используя в качестве основных блоков следующие электронные компоненты: в качестве разветвителей - микросхема SBTC-2-20+ фирмы Mini-Circuits; управляемые аттенюаторы и аттенюаторы - микросхема НМС470 фирмы Hittite; усилители и управляемые усилители - микросхемы ERA1 фирмы Mini-Circuits; смесители - микросхемы AD8342 фирмы Analog Devices; синтезаторы частоты - микросхемы ADF4350 фирмы Analog Devices; аналого-цифровые преобразователи - микросхемы ADC083000 фирмы Analog Devices; цифроаналоговые преобразователи - микросхемы AD9739 фирмы Analog Devices; программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) XC6VLX240 фирмы Хilinx.