УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ СИГНАЛОВ С ЧАСТОТНО-ФАЗОВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

Полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться в системах радиосвязи и радиотелеметрии, где широко применяются широкополосные сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ).
В системах космической связи, которые сейчас эксплуатируются, включая Serbian Euro Satellite сигнал телеметрической информации (ТМИ) спутников по одному каналу вниз на собственной несущей частоте. В зависимости от системы, в которой ведется связь с космическим аппаратом, условий совместимости и помехозащищенности применяются различные частоты. Набор частот, выделенных для ТМИ, формируется на стадии проектирования космического аппарата и после запуска значения частот изменить нельзя.
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является устройство для приема широкополосных сигналов с линейной частотной модуляцией (патент РФ №2007885, МПК 5 H04L 27/14, oп. 1994.02.15), которое содержит приемник, два смесителя, два гетеродина, два перемножителя, узкополосный фильтр, четыре широкополосных фильтра, три сжимающих фильтра, три частотных детектора, три дифференцирующих блока, три формирователя импульсов, три решающих блока, фазоинвертор, сумматор.
В устройстве введены последовательно соединенные первый перемножитель, к входам которого подключены вторые входы первого и второго гетеродинов, узкополосный фильтр, второй перемножитель, ко второму входу которого подключен выход второго широкополосного фильтра, третий широкополосный фильтр, сумматор, второй частотный детектор, второй дифференцирующий блок, второй формирователь импульсов и второй решающий блок, фазоинвертор, вход и выход которого соединены соответственно с выходом первого широкополосного фильтра, который подключен к входу первого частотного детектора, и со вторым входом сумматора, третий сжимающий фильтр, вход и выход которого соединены соответственно с выходом сумматора и со вторым входом второго решающего блока, и последовательно соединенные четвертый широкополосный фильтр, к входу второго подключен выход второго смесителя, третий частотный детектор, третий дифференцирующий блок, третий формирователь импульсов, и третий решающий блок, ко второму входу которого подключен выход, второго сжимающего фильтра, вход которого соединен с выходом четвертого широкополосного фильтра.
Устройство обеспечивает расширение диапазона рабочих частот за счет использования первого и второго зеркальных каналов приема.
Указанное устройство обеспечивает подавление зеркального канала приема.
К недостаткам известных технических решений можно отнести следующее.
Это устройство работает по принципу вторичной модуляции (детектирование сигнала при помощи частотного и фазового детекторов, усиление на низкой частоте и затем модуляция на нужной несущей частоте).
Структура информационного потока передаваемых сообщений полностью определяется протоколом передачи. В данной работе рассматривается обработка радиосигнала на участке тракта до устройства регистрации.
Преобразователи, работающие по такому принципу, имеют ряд недостатков по сравнению с предложенным устройством:
- входной и выходной сигналы не когерентны;
- высокая себестоимость, из-за необходимости делать детекторы, модуляторы и усилители низкой частоты (УНЧ) с очень широкой полосой пропускания (применяются контура связи намотанные серебряными проводами, производится выборка элементной базы из больших партий, в некоторых случаях применяют также охлаждение жидким азотом);
- невозможность организовать автоподстройку частоты гетеродина (АПЧГ);
- повышенные требования к согласованию устройства с «верхним» участком тракта.
Схема преобразования частоты на основе вторичного модулятора исключает возможность создания цепочки автоподстройки частоты (АПЧ). Т.к. детектирование производится по радиочастоте (РЧ) 70 МГц, без переходов на промежуточную частоту (ПЧ), то даже небольшие качания частоты на входах детекторов существенно снижают их эффективность, что иногда приводит к временной пропаже приема, либо к «замиранию» потока данных на время исправления ошибок приема.
Т.к. усилитель радиочастоты (УРЧ) на входе устройства однокаскадный, его коэффициент усиления низкий и составляет 6-8 дБ. Это приводит к необходимости очень точного согласования входных цепей с трактом, идущим от малошумящего усилителя (МШУ). Это условие достигается за счет использования устройства селекции входных цепей (преселектора). Преселектор содержит в себе набор параллельных контуров 1-го порядка (без емкостных связей) и сложную схему анализатора уровней сигнала, которая принимает решение о необходимости переключить входные цепи. В момент переключения поток данных по каналу телеметрии иногда «замирает».
Несмотря на наличие двух унифицированных реле частоты (УРЧ), сигнал на выходе имеет затухание по отношению к входному. Это вызвано переходами на полное название, потом (НЧ).
Несомненно, важным недостатком, кроме выше перечисленных, является сложность организации такого алгоритма преобразования сигнала. Вторичный модулятор - габаритное устройство, требующее точной периодической настройки, сложное в реализации и, из-за наличия преселектора - дорогостоящее.
Разветвленный участок тракта не позволяет применять горячее резервирование. В случае выхода из строя преобразователя прием данных прекращается на время его замены.
Стоит также отметить, что в любых системах, выполняющих детектирование с переходом на НЧ сигнал, приходит на выход со случайной фазой, что увеличивает время синхронизации при восстановлении алгоритмов конечной обработки после сбоя. Информация, передаваемая за время восстановления обработки, безвозвратно теряется.
Задачей полезной модели является разработка устройства для преобразования частоты сигналов с частотно-фазовой модуляцией, позволяющего усовершенствовать и упростить тракт приема и обработки сигнала телеметрической информации (ТМИ) спутников в наземных аппаратных комплексах центров управления полетами (ЦУП).
Технический результат заключается в преобразовании частоты без перехода на НЧ, что позволяет избежать ряда трудностей, связанных с особенностями действующей конструкции.
Это достигается за счет того, что устройство для преобразования частоты сигналов с частотно-фазовой модуляцией, содержащее приемник, первый и второй смесители, первый и второй гетеродины, согласно полезной модели, оно содержит приемник, выход которого подключен к входу первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, а выход соединен с входом второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, выход второго смесителя соединен с устройством формирования сигнала АПЧГ и с выходом самого устройства, а выход устройства формирования сигнала АПЧГ, в свою очередь, соединен с первым гетеродином и с устройством контроля приема.
Особенностью предлагаемого устройства для преобразования частоты сигналов с частотно-фазовой модуляцией является то, что оно выполняет преобразование частоты без перехода на НЧ, что позволяет избежать ряда трудностей, связанных с особенностями действующей конструкции. Устройство для преобразования частоты сигналов с частотно-фазовой модуляцией построено по принципу двойного преобразования частоты. Такое решение родилось по двум причинам: полное исключение приема зеркального канала и выигрыш по усилению (по сравнению со схемами одинарного преобразования).
Каждое звено выполнено на основе интегральной микросхемы с минимальным количеством дискретных элементов.
Интегральная микросхема должна содержать в себе гетеродин и смеситель с непосредственными связями на всем участке прохождения сигнала, и поэтому точно передает фазовую картину от входа к выходу каждого звена преобразователя. Однако для решения поставленной задачи этого не достаточно и требуется также применение схемотехнических решений, позволяющих организовать нереактивную связь между обоими звеньями конвертера.
Подобная структура преобразователя позволяет легко организовать цепочку автоподстройки частоты первого гетеродина (АПЧГ). Управляющее напряжение формируется на выходе специализированной микросборки УПЧ3-2. УПЧ3-2 содержит в себе усилитель промежуточной частоты (УПЧ), частотный детектор и дифференциальный усилитель, на выходе которого формируется постоянный уровень, зависящий от уровня сигнала на конвертере и, как следствие, от качества настройки входной цепи конвертера. Система АПЧГ, построенная по такой структуре, работает в реальном времени без задержки и не требует дополнительной коммутации или подстройки входных цепей на протяжении всего периода эксплуатации.
Принципиально разработанное устройство намного проще вторичного модулятора, благодаря отсутствию дискретно выполненных детекторов, УНЧ, УРЧ, УПЧ и модуляторов.
При проектировании принципиальной схемы конвертера учитывалось требование минимального количества дискретных элементов и как можно более короткого тракта на пути сигнала. Обвязка каждого звена К174ПС1 минимальна и содержит лишь входной контур, выходной контур, подключенные непосредственно к выводам микросхем, контур сдвига частоты и конденсаторы, необходимые для работы интегрированного в ИМС гетеродина.
На фиг.1 - устройство для преобразования частоты сигналов с частотно-фазовой модуляцией, блок-схема.
На фиг.2 - структурная схема устройства для преобразования частоты сигналов с частотно-фазовой модуляцией.
На фиг.3 - электрическая схема.
Устройство для преобразования частоты сигналов с частотно-фазовой модуляцией состоит из входа 1 устройства; первого звена (первый смеситель, первый гетеродин) 2; второго звена (второй смеситель, второй гетеродин) 3; формирователя 4 сигнала АПЧГ и контрольного сигнала; выхода 5 устройства; усилителя 6 контрольного сигнала;
контрольного динамика 7; платы 8 источника питания; сетевого трансформатора 9; разъема 10 для подключения питания; выхода контрольного сигнала 11.
Устройство для преобразования частоты сигналов с частотно-фазовой модуляцией построено по принципу двойного преобразования частоты. Такое решение родилось по двум причинам: полное исключение приема зеркального канала и выигрыш по усилению (по сравнению со схемами одинарного преобразования).
Устройство работает следующим образом.
Разработанный конвертер выполняет преобразование частоты без перехода на НЧ, что позволяет избежать ряда трудностей, связанных с особенностями действующей конструкции.
Пример.
Каждое звено выполнено на основе интегральной микросхемы, например, (ИМС) К174ПС1, с минимальным количеством дискретных элементов.
Применение К174ПС1 в такой схеме стало возможным благодаря функциональным особенностям этой микросхемы. Она содержит в себе гетеродин и смеситель с непосредственными связями на всем участке прохождения сигнала, и поэтому точно передает фазовую картину от входа к выходу каждого звена преобразователя. Однако для решения поставленной задачи этого не достаточно и требуется также применение схемотехнических решений, позволяющих организовать нереактивную связь между обоими звеньями конвертера.
Подобная структура преобразователя позволяет легко организовать цепочку автоподстройки частоты первого гетеродина (АПЧГ). Управляющее напряжение формируется на выходе специализированной микросборки УПЧ3-2. УПЧ3-2 содержит в себе усилитель промежуточной частоты (УПЧ), частотный детектор и дифференциальный усилитель, на выходе которого формируется постоянный уровень, зависящий от уровня сигнала на выходе конвертера и, как следствие, от качества настройки входной цепи конвертера.
Система АПЧГ, построенная по такой структуре, работает в реальном времени без задержки и не требует дополнительной коммутации или подстройки входных цепей на протяжении всего периода эксплуатации.
Принципиально разработанный конвертер намного проще вторичного модулятора, благодаря отсутствию дискретно выполненных детекторов, УНЧ, УРЧ, УПЧ и модуляторов. Схема устройства (кроме источника питания) представлена на рисунке 4.
При проектировании принципиальной схемы конвертера учитывалось требование минимального количества дискретных элементов и как можно более короткого тракта на
пути сигнала. Обвязка каждого звена К174ПС1 минимальна и содержит лишь входной контур, выходной контур, подключенные непосредственно к выводам микросхем, контур сдвига частоты и конденсаторы, необходимые для работы интегрированного в ИМС гетеродина.
Входной сигнал на частоте 70МГц поступает на катушку связи L1 (см. фиг.3) параллельного колебательного LC контура (далее по тексту - контура, т.к. последовательных не содержится) C2-L2. Связь между выходом МШУ и катушкой L1 непосредственная и потому не приводит к искажению фазы входного сигнала. L2-C2 - единственный контур, настроенный на частоту 70 МГц. После настройки конвертера его параметры не корректируются. Катушка L2 подключена непосредственно ко входу микросхемы (выводы 1 и 11). С6 и L3 представляют собой контур сдвига частоты и настраиваются на частоту
г1
в
п1
f=f+f
г1
в
п1
где f - частота первого гетеродина, f - частота входа (70 МГц), f - первая промежуточная частота (32 МГц). Таким образом первый гетеродин настраивается на частоту
г1
f=102 МГц
На выходе первого звена конвертера (выводы 2 и 3) также установлен контур L4-С10, причем катушка L4 выполнена с отводом от середины, это необходимо, чтобы осуществить питание микросхемы. Кроме того, такое решение повышает нагрузочную способность выхода микросхемы в 1,5 раза благодаря тому, что колебания на выводах 2 и 3 противофазные (двухтактный режим работы встроенного в микросхему УРЧ). На выводах 2 и 3 формируется ЧФМ сигнал, точно копирующий входной, но с частотой 32 МГц (первая промежуточная частота).
Через катушку связи L5 (для контура L4-C10) сигнал на первой промежуточной частоте поступает на вход второго звена конвертера, выполненного аналогично первому. Контур L6-C14 настроен на частоту 38,5 МГц. В результате на выходе смесителя формируется сигнал с несущей частотой 6,5 МГц. Этот сигнал так же точно копирует входной.
Катушка связи L8 контура L7-C17 является общей для подачи сигнала на выходной разъем конвертера и на вход сборки УПЧ3-2 (вывод 3).
Опорное напряжение системы АПЧГ формируется на выводе 5 сборки УПЧ3-2. Это напряжение подается через резисторы R6, R4, R3 на анод варикапа VD2. Катод VD2 соединен через развязывающие конденсаторы С4 и С9 с контуром сдвига частоты первого гетеродина. Резистор R9 представляет собой делитель напряжения, который через R7
позволяет в небольших пределах менять постоянный уровень напряжения на выводах варикапа и задавать тем самым «ноль» системы АПЧГ. Этот уровень также настраивается один раз и остается постоянным на протяжении всей эксплуатации конвертера.
Преобразователи питаются через резисторы R5 и R10 от общего источника постоянным напряжением 10,2 В. С11 и С18 - блокировочные конденсаторы. УПЧ3-2 питается непосредственно от этого же источника (вывод 4 сборки).
Описанный в работе прибор опробован на экспериментальном стенде в ОАО «ИСС», в результате проверки подтвердилось правильное согласование конвертера как с выходом Vertex RSI, так и со входом АЦП. При проведении эксперимента какая-либо подстройка конвертера не проводилась.
Затраты на создание конвертера невелики и полностью зависят от качества применяемой элементной базы.
Замена преобразователя в действующем тракте предложенным дает положительный эффект. Стоит так же отметить, что для предприятий, деятельность которых связана с оборонной промышленностью, таких как ОАО «ИСС» значительно более важной является возможность снизить зависимость от иностранных производителей.
Низкая стоимость и отсутствие необходимости в постоянной постройке позволяет применить для данного узла многократное холодное резервирование, что в случае с действующим трактом затруднительно, т.к. придется резервировать стойку полностью.
В дальнейшем планируется оптимизировать монтаж конвертера и применить более качественную элементную базу, что даст возможность изготавливать устройство в стандартных корпусах RAC и интегрировать его непосредственно в системный блок ПК оператора. Если это удастся сделать - тракт обработки сигнала ТМИ станет компактней на одну стандартную стойку ШК.
В результате испытаний конвертера на стенде ОАО «ИСС» был осуществлен прием сигнала ТМИ с борта реального КА. Вид сигнала на входе платы сбора данных БиН1225-02 в реальных условиях приема ТМИ представлен на рисунке 8.
Описанная конструкция намного проще используемого функционального аналога (вторичного модулятора), значительно меньше по габаритам и дешевле. При этом конвертер с использованием принципа двойного преобразования частоты без перехода на НЧ обладает рядом преимуществ. Входной и выходной сигналы квазикогерентны (сдвижка фазы определяется только временем запаздывания в тракте преобразования и остается постоянной в течение всего периода эксплуатации). При изменениях несущей частоты входа перекоммутации входных цепей не происходит, поэтому «замирания» потока данных отсутствуют. При значительных изменениях несущей частоты входного
сигнала действует система АПЧГ и частота первого гетеродина автоматически перестраивается, обеспечивая согласование выхода МШУ с входом конвертера. Конструкция конвертера (благодаря непосредственному подключению к выходу МШУ и к входу АЦП) позволяет применять многократное резервирование на рассматриваемом участке тракта и в том числе горячее резервирование (при использовании вариаторов).
Разработанный конвертер был опробован в составе экспериментального канала на НПО ПМ (ОАО «ИСС»), где при помощи него был успешно принят и обработан реальный сигнал телеметрии космического аппарата. Испытания показали, что стабильность параметров реализованного конвертера достаточная для его использования в качестве основного устройства на участке тракта, отвечающего за согласование МШУ и ПК оператора.