Высокоизбирательное многоканальное радиоприемное устройство на основе полосовых и перестраиваемых заграждающих фильтров
HIGHLY SELECTIVE MULTICHANNEL RADIO RECEIVING DEVICE BASED ON BAND-PASS AND TUNABLE BARRIER FILTERS

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в аппаратуре широкополосных систем многоканальной связи KB диапазона частот.
Известно высокоскоростное многоканальное радиоприемное устройство KB диапазона, содержащее управляемый усилитель и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), причем выход усилителя соединен со входом АЦП, в которое, согласно изобретению, введены банк из фильтров низкой частоты и банк из фильтров высокой частоты, составляющие преселектор, модуль выделения и обработки цифровых каналов, модуль управления узлами тракта и вывода информации через PCI интерфейс, причем вход банка из фильтров низкой частоты является входом устройства, его выход соединен со входом банка из фильтров высокой частоты, выход которого через управляемый усилитель соединен с АЦП, сигнальный выход АЦП соединен с модулем выделения и обработки цифровых каналов, выходы каналов модуля выделения и обработки цифровых каналов соединены с канальными входами модуля управления узлами тракта и вывода информации через PCI интерфейс, выход которого через шину PCI соединен с ПЭВМ, управляющие выходы модуля управления узлами тракта и вывода информации через PCI интерфейс соединены с входами управления выбором фильтра банка из фильтров низкой частоты и банка из фильтров высокой частоты [1].
Недостатки устройства-аналога следующие:
1. При многоканальном приеме полоса пропускания радиоприемного устройства определяется шириной частотного диапазона каналов приема, что не позволяет обеспечить подавление помех большого уровня, отстроенных от частоты настройки канала приема на 5% и более.
2. Использование узких полос пропускания с целью обеспечения высокой селективности радиоприемного устройства требует изготовления большого набора фильтров для покрытия всего KB диапазона от 1,5 до 30 МГц.
Наиболее близким к предлагаемому является входное устройство многоканальной радиоприемной системы, содержащее последовательно соединенные антенный вход, разрядник, противолокационный фильтр, устройство защиты, устройство для селекции, усиления и преобразования сигналов, при этом устройство для селекции, усиления и преобразования сигналов включает входное многополюсное широкополосное частотно-селективное устройство, содержащее один вход, соединенный с выходом устройства защиты, и N выходов, к каждому выходу которого подключен поддиапазонный радиоканал, и М аналого-цифровых преобразователей, выходы которых являются выходами устройства, а также блок управления и источник питания. Входное многополюсное широкополосное частотно-селективное устройство содержит N полосовых фильтров, каждый поддиапазонный радиоканал содержит последовательно соединенные поддиапазонный управляемый аттенюатор, входной усилитель высокой частоты, поддиапазонное коммутируемое многополюсное частотно-селективное устройство, содержащее один вход и Р выходов, к каждому выходу которого подключена частотно-селективная система, содержащая К узкополосных фильтров, в устройство селекции, усиления и преобразования сигналов введен матричный коммутатор, содержащий Н входов и М выходов, к Н входам матричного коммутатора подключены выходы узкополосных фильтров всех частотно-селективных систем всех поддиапазонов, где H=N×P×K, к каждому из М выходов матричного коммутатора подключен вход i-го выходного управляемого аттенюатора, у которого выход соединен со входом i-го аналого-цифрового преобразователя, где  вход управления аттенюатора соединен с выходом управления аналого-цифрового преобразователя, входы управления всех коммутационных элементов подключены к блоку управления [2].
Недостатком устройства-прототипа является следующее. Разделение KB диапазона на частотные полосы, имеющие фиксированную ширину оптимально только с точки зрения загруженности диапазона. Реальная обстановка KB диапазона требует подавления нежелательных каналов приема заблокированных помехой, что возможно только полным отключением выделенного поддиапазона. Таким образом, количество каналов, которые можно использовать для связи, будет значительно меньше существующих в приемном устройстве.
Задача предполагаемого изобретения - предложение структуры радиоприемного устройства обеспечивающего повышение уровня блокирования.
Поставленная задача достигается тем, что высокоизбирательное многоканальное радиоприемное устройство на основе полосовых и перестраиваемых заграждающих фильтров содержащее последовательно соединенные антенный вход, противолокационный фильтр, устройство защиты, устройство для селекции, усиления и преобразования сигналов, в устройство для селекции, усиления и преобразования сигналов дополнительно введены - разветвитель мощности, один измерительный и N информационных трактов приема, блок цифровой обработки сигналов, измерительный тракт приема состоит из последовательно соединенных полосового фильтра, вход которого является входом измерительного тракта и управляемого аттенюатора, выход которого является выходом измерительного тракта, каждый информационный тракт приема состоит из включенных последовательно полосового фильтра, вход которого является входом информационного тракта, перестраиваемого заграждающего фильтра, управляемого аттенюатора и амплитудного усилителя, выход которого является выходом информационного тракта, входы четных информационных трактов подключены к одному выходу разветвителя мощности, входы нечетные информационных трактов подключены к другому выходу разветвителя мощности, вход разветвителя мощности соединен с входом измерительного тракта приема и является входом устройства для селекции, усиления и преобразования сигналов, выходы измерительного и информационных трактов подключены к М входам блока цифровой обработки сигналов, входы управления аттенюаторов и заграждающих фильтров соединены с выходом блока управления, вход блока управления соединен с первым выходом блока цифровой обработки сигналов, второй выход блока цифровой обработки сигнала является выходом устройства.
Поставленная задача также достигается тем, что в высокоизбирательное многоканальное радиоприемное устройство на основе полосовых и перестраиваемых заграждающих фильтров в каждом из N информационных трактов приема выход амплитудного усилителя подключен к входу блока цифровой обработки сигналов через дополнительный перестраиваемый заграждающий фильтр, управляемый синхронно с первым заграждающим фильтром.
Достигаемым техническим результатом является реализация структуры унифицированного многоканального радиоприемного устройства, состоящего не только из узлов полосовой частотной селекции полезного сигнала на фоне агрессивной помеховой обстановки, но и средств подавления наиболее мешающих приему составляющих помех специальными частотно-перестраиваемыми заграждающими фильтрами непосредственно в полосе частотной селекции, что в совокупности основных технических характеристик (количеству каналов приема, уровню блокирования, чувствительности, возможности приема широкополосных сигналов, массогабаритным характеристикам, энергопотреблению) существенно превосходит стоящие на снабжении в настоящее время многоканальные радиоприемные устройства (МРПУ).
Предлагаемое высокоизбирательное многоканальное радиоприемное устройство на основе полосовых и перестраиваемых заграждающих фильтров (см. фиг. 1) содержит последовательно соединенные антенный вход 1, противолокационный фильтр 2, устройство защиты 3, устройство для селекции, усиления и преобразования сигналов 4., блок управления 5 и источник питания 6. Устройство для селекции, усиления и преобразования сигналов 4 содержит разветвитель мощности 7, один измерительный 8 и N информационных трактов приема 9, измерительный тракт приема 8 состоит из последовательно включенных полосового фильтра 10 и управляемого аттенюатора 11. Каждый информационный тракт 9 состоит из включенных последовательно полосового фильтра 12, перестраиваемого заграждающего фильтра 13, управляемого аттенюатора 14 и амплитудного усилителя 15. Входы четных информационных трактов 9 подключены к одному выходу разветвителя мощности 7, входы нечетных информационных трактов 9 подключены к другому выходу разветвителя мощности 7, вход разветвителя мощности 7 соединен со входом измерительного тракта приема 8 и является входом устройства для селекции, усиления и преобразования сигналов 4, выходы измерительного 8 и информационных трактов 9 подключены к М входам блока цифровой обработки сигналов 16, входы управления аттенюаторов 11, 14 и заграждающих фильтров 13 соединены с выходом блока управления 5, вход блока управления 5 соединен с первым выходом блока цифровой обработки сигналов 16.
На фиг. 2 показан информационный тракт 9, в который дополнительно введен второй перестраиваемый заграждающий фильтр 17, подключенный к выходу амплитудного усилителя 15 и управляемый синхронно с первым заграждающим фильтром 13.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. На антенный вход 1 поступает групповой высокочастотный сигнал и проходит в противолокационный фильтр 2. Противолокационный фильтр 2 обеспечивает защиту входа радиоприемного устройства от помех, создаваемых радиолокационными станциями в диапазоне частот выше 200 МГц. Далее устройство защиты 3 обеспечивает сохранность устройства от наводимого в антенне высокочастотного напряжения уровнем до 100 В ЭДС. Дальнейшая работа устройства обеспечивается аппаратно-программными средствами, обозначенными на фиг. 1 номерами с 4-го по 16. С выхода устройства защиты групповой высокочастотный сигнал поступает на вход устройства для селекции, усиления и преобразования сигналов 4. В устройстве 4 групповой высокочастотный сигнал поступает на входы разветвителя мощности 7 и измерительного тракта приема 8. В измерительном тракте приема происходит ограничение сигнала по полосе KB диапазона от 1.5 до 30 МГц - фильтром 10, и формирование по амплитуде - аттенюатором 11. Управляемый аттенюатор 11 с ослаблением в диапазоне от 0 до 30 дБ и шагом 3 дБ обеспечивает возможность работы тракта в линейном режиме с целью дальнейшего анализа сигнала в блоке цифровой обработки 16. Разветвитель мощности 7 выполнен по пассивной схеме и обеспечивает деление группового высокочастотного сигнала на два выхода для работы информационных трактов 9. Селекция сигнала выполняется полосовыми субоктавными фильтрами 12 в информационных трактах 9. Количество информационных трактов 9 и ширина полос фильтров 12 определяется техническими требованиями к радиоприемному устройству по уровню интермодуляционных искажений и ограничивается только вычислительными возможностями блока цифровой обработки 16. Перестраиваемые по частоте заграждающие фильтры 13 предназначены для увеличения динамического диапазона по блокированию тракта приема, выделенного фильтрами 12, что обеспечивается подавлением помех, определяемым затуханием в полосе задержания заграждающего фильтра, настроенного на частоту помехи. Для обеспечения возможности работы информационных трактов в линейном режиме, сигнал после заграждающего фильтра нормируется аттенюатором 14 и усиливается по амплитуде усилителем 15. Алгоритмы работы изделия (управление аттенюаторами трактов, настройка заграждающих фильтров на частоты помех) реализуются средствами блока управления 5 по сигналам управления, формируемым в блоке 16.
Блок цифровой обработки сигналов (ЦОС) 16 является многофункциональным средством, обеспечивающим обработку радиочастотных сигналов по М входам одновременно (в данном случае измерительный тракт 8 и N-информационных трактов 9). В блоке ЦОС с помощью встроенных высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) производится оцифровывание принимаемых сигналов от трактов 8 и 9, с последующей обработкой цифровыми
преобразователями и конверторами, управляемыми одним или несколькими микропроцессорами по заданному программой алгоритму работы, обеспечивается формирование необходимых сигналов в блок управления 5 и на выход устройства.
Работа блоков цифровой обработки сигналов 16 и блока управления 5 выполняется в следующем порядке.
ацп
1. При включении приемника, построенного по предлагаемой структуре фиг. 1, значение ослабления аттенюатора 11 в измерительном тракте 8 и аттенюаторов 14 в информационных трактах 9, устанавливается блоком управления 5 по уровню допустимого значения напряжения на входе аналого-цифрового преобразователя блока ЦОС 16 U, определяемого напряжением шкалы АЦП в линейном режиме работы. Частоты настройки заградительных фильтров 13 информационных трактов 9 устанавливаются за пределами полос пропускания фильтров 12. Управление частотой настройки заградительных фильтров 13 обеспечивается блоком управления 5.
c
бл
n
2. По информации от измерительного тракта 8 блок ЦОС 16 анализирует уровень принимаемых сигналов. При уровне сигнала U≥0,9U/Р определяются частоты помех f, где
бл
U - уровень напряжения блокирования информационного тракта приема;
Р - величина, определяемая соотношением:
п инф
п изм
Р = К / К,
п инф
где К коэффициентов передачи информационного тракта 9,
п изм
К коэффициент передачи измерительного тракта 8.
п
3. Информация о частотах f с блока ЦОС 16 передается на блок управления 5.
п
4. В блоке управления 5 по значению частоты f определяется полосовой фильтр 12 из N-го информационного тракта 9, в полосе пропускания которого находится помеха. Каждый информационный тракт 9 обеспечивает прохождение радиочастотного сигнала нескольких информационных потоков - рабочих каналов приема, формирование и обработка которых производится аппаратно-программными средствами в блоке ЦОС
п
5. Если отстройка частоты помехи составляет 5% и более от частоты настройки рабочего канала приема (это определяет блок управления 5), то заграждающий фильтр 13 N-го информационного тракта 9 по команде блока 5 настраивается на частоту помехи и обеспечивает ее подавление. Величина подавления определяется затуханием заграждающего фильтра на частоте настройки f. Если отстройка помехи от частоты рабочего канала приема менее 5% (это определяет блок 5), то работа приемника обеспечивается путем включения соответствующего значения затухания аттенюатора 14 по команде блока 5 в соответствии с п.1
п
6. После настройки заграждающего фильтра 13 на частоту f в N-ом информационном тракте 9 затухание аттенюатора 14 устанавливается минимально возможным в соответствии с п. 1;
п
c
бл
7. В блоке ЦОС 16, по сигналам измерительного тракта 8 производится контроль уровня f и при уменьшении его в n раз и более (где n определяется уровнем вносимого затухания заграждающего фильтра на частоте настройки), заграждающий фильтр 13 в N-ом тракте по команде блока управления 5, получающего информацию от блока 16, перестраивается на значение частоты «по умолчанию» - за пределы полосы пропускания полосового фильтра 12, если нет вновь появившейся помехи с уровнем, соответствующим U≥0,9U/P. В этом случае действия повторяются в соответствии с пп. 3-7 данного описания работы блоков цифровой обработки сигналов 16 и блока управления 5.
8. Перестройка заграждающего фильтра 13 на частоту помехи в любом информационном тракте может быть выполнена в режиме ручного управления - путем введения в программу блока управления 5 настройки на частоту излучения сигнала собственного передатчика на совмещенном приемном центре или на стороннюю помеху большого уровня.
По предлагаемой структурной схеме (см. фиг. 1) был изготовлен опытный тракт приема с использованием двенадцати полосовых и соответствующих им перестраиваемых заграждающих фильтров в конструктиве «Евробаза 3U». Проведены измерения чувствительности (коэффициента шума), динамического диапазона по интермодуляционным искажениям третьего порядка и уровня восприимчивости по блокированию по стандартным методикам (по ГОСТ Р 52016-2003). Получены следующие результаты:
- чувствительность в полосе телефонного канала 3,1 кГц при соотношении сигнал/шум 20 дБ не более 1,22 мкВ (ЭДС), что соответствует коэффициенту шума 6 дБ (при измерениях заграждающий фильтр настраивается на частоту, отстроенную на 5% и более от частоты измерения);
- динамический диапазон по интермодуляционным искажениям третьего порядка не менее 90 дБмкВ;
- уровень восприимчивости по блокированию при настройке заграждающего фильтра на частоту помехи не менее 130 дБмкВ.
При необходимости увеличения уровня восприимчивости по блокированию до 150 дБмкВ следует использовать два заграждающих фильтра, включенных последовательно через усилитель (см. фиг. 2).
Источники информации.
1. Патент №65329, H04L 27/34, опубл. 2007 год.
2. Патент №112560, Н04В 1/18 опубл. 2011 год.