РАДИОПРИЁМНОЕ УСТРОЙСТВО С КЛЮЧЕВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ АМПЛИТУДОЙ РАЗМЫВАЮЩЕГО СИГНАЛА
RADIO RECEIVING DEVICE WITH THE DITHER SIGNAL AMPLITUDE SWITCH CONTROL

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для создания перспективных радиосредств с программируемой архитектурой с цифровой обработкой сигналов непосредственно на радиочастоте, в условиях воздействия блокирующих сигналов для обеспечения устойчивой радиосвязи в сложной помеховой обстановке.
Такие приемники описаны, например, в книгах «Cognitive radio technol-ogy», Second Edition, Elsevier Science & Technology Books, 2009. - p.p. 828, автора Bruce Alan Fette и «Software defined radio: enabling technologies», John Wiley & Sons, Chichester, UK, 2002. - p.p. 442 автора W. Tuttlebee, Ed, в которых их называют идеальными.
Сущность таких устройств заключается в осуществлении аналого-цифрового преобразования (АЦП) на радиочастоте; применении размывающих сигналов, позволяющих увеличить частотную избирательность; обеспечении максимального размаха принимаемого сигнала на входе АЦП, не приводящего к ограничению в аналого-цифровом тракте (АЦТ), что позволяет увеличить динамический диапазон по блокированию полезного сигнала.
В существующих аналогах [1-4], погрешность оцифровки и температурный дрейф характеристик АЦП и пикового детектора проявляются в недетерминированности фактического входного уровня переполнения АЦП. Это приводит к необходимости устанавливать порог компаратора исходя из минимально возможного в процессе эксплуатации уровня сигнала, вызывающего переполнение в АЦТ, и, следовательно, к уменьшению динамического диапазона по блокированию.
Наиболее близким к заявляемому, является устройство, описанное в патенте [1], принятое за прототип.
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства-прототипа, где обозначено:
1 - блок входных цепей и преселектора;
2 - сумматор;
3 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
4 - цифровой приемный тракт;
5 - демодулятор;
6 - формирователь размывающего сигнала;
7 - источник частоты дискретизации;
8.1-8.N - с первого по N-й опорный генератор;
9 - коммутатор;
12 - ключ;
13 - пиковый детектор;
18 - компаратор.
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные блок входных цепей и преселектора 1, сумматор 2, АЦП 3, цифровой приемный тракт 4 и демодулятор 5, выход которого является информационным выходом устройства; а также содержит формирователь размывающего сигнала 6, источник частоты дискретизации 7, содержащий N опорных генераторов 8.1…8.N, выходы которых соединены с соответствующими входами коммутатора 9, выход которого является выходом источника частоты дискретизации 7 и соединен с тактовым входом АЦП 3.
Кроме того, приемник содержит последовательно соединенные пиковый детектор 13, компаратор 18 с пороговым значением П1 и ключ 12, выход которого соединен со вторым входом сумматора 2, а второй вход ключа 12 подсоединен к выходу формирователя размывающего сигнала 6. Также, выход блока входных цепей и преселектора 1 соединен с входом пикового детектора 13.
Устройство-прототип работает следующим образом.
Входной радиочастотный сигнал поступает на вход радиоприемного устройства и проходит через блок входных цепей и преселектора 1, в котором происходит его усиление и фильтрация помех, находящихся вне полосы пропускания преселектора. С выхода блока 1 принимаемый сигнал поступает на первый вход сумматора 2, а также на вход пикового детектора 13, с выхода которого измеренное значение амплитуды принимаемого сигнала сравнивается с порогом П1 с помощью компаратора 18. Если амплитуда принимаемого сигнала превышает пороговое значение, то ключ 12 прекращает поступление сигнала с выхода формирователя аддитивного размывающего сигнала 6 на второй вход сумматора 2, если же измеренная амплитуда меньше порогового значения, то ключ 12 пропускает сигнал с выхода формирователя аддитивного размывающего сигнала 6 на второй вход сумматора 2. С выхода сумматора 2 сигнал поступает на сигнальный вход АЦП 3, на тактовый вход которого поступает сигнал с частотой дискретизации. Для ее формирования в состав источника частоты дискретизации 7 входят N опорных генераторов 8.1-8.N и коммутатор 9, подключающий тактовый вход АЦП 3 к одному из них в соответствии с текущим режимом работы АЦП 3. Квантованные отсчеты сигнала после АЦП 3 поступают в цифровой приемный тракт 4, где осуществляются фильтрация, перенос сигнала на нулевую частоту и децимация для понижения частоты дискретизации. Далее, в демодуляторе 5 происходит принятие решения о приеме сигнала. Принятая информация поступает на выход радиоприемного устройства.
Одним из важнейших динамических параметров, характеризующих возможность радиоприемного устройства осуществлять прием сигнала при наличии помех большой амплитуды, является динамический диапазон по блокированию [5], который определяется как отношение максимального уровня радиопомехи на входе, при котором коэффициент блокирования равен заданному значению, к чувствительности радиоприемного устройства при отсутствии помех.
Недостатком устройства-прототипа является сужение динамического диапазона по блокированию полезного сигнала за счет уменьшения максимального уровня блокирующего сигнала, не приводящего к ограничению в АЦП, вследствие необходимости занижения порога компаратора на величину погрешности, вызванной тепловым дрейфом параметров АЦП и собственно компаратора.
Задачей изобретения является реализация управления амплитудой размывающего сигнала независимо от температурных погрешностей и дрейфа уровня входного сигнала АЦП, вызывающего переполнение.
Достигаемый технический результат - увеличение динамического диапазона по блокированию полезного сигнала при сохранении параметров по избирательности радиоприемного устройства.
Для решения поставленной задачи в известное радиоприемное устройство, содержащее: последовательно соединенные блок входных цепей и преселектора, сумматор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровой приемный тракт и демодулятор, выход которого является информационным выходом устройства; последовательно соединенные формирователь размывающего сигнала и ключ, выход которого соединен со вторым входом сумматора; источник частоты дискретизации, содержащий N опорных генераторов, выходы которых соединены с соответствующими входами коммутатора, выход которого является выходом источника частоты дискретизации и соединен с тактовым входом АЦП, согласно изобретению дополнительно введены последовательно соединенные вычислитель амплитуды принимаемого сигнала, вход которого соединен с выходом АЦП, и цифровой компаратор с пороговым значением П2, выход которого подсоединен к первому входу ключа, при этом пороговое значение П2 определяется по формуле:
,
где FS - мгновенное значение цифрового сигнала, соответствующее максимальному входному мгновенному напряжению, не вызывающему ограничения АЦП;
d
A - амплитуда размывающего сигнала, В;
ADC
K - коэффициент преобразования АЦП, устанавливающий соответствие между входным напряжением АЦП и его выходным кодом, .
Функциональная схема заявляемого приемного устройства представлена на фиг. 2, где обозначено:
1 - блок входных цепей и преселектора;
2 - сумматор;
3 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
4 - цифровой приемный тракт;
5 - демодулятор;
6 - формирователь размывающего сигнала;
7 - источник частоты дискретизации;
8.1…8.N - с первого по N-й опорные генераторы;
9 - коммутатор;
10 - вычислитель амплитуды принимаемого сигнала;
11 - цифровой компаратор;
12 - ключ.
Заявляемое устройство содержит: последовательно соединенные блок входных цепей и преселектора 1, сумматор 2, АЦП 3, цифровой приемный тракт 4 и демодулятор 5, выход которого является информационным выходом устройства; последовательно соединенные формирователь размывающего сигнала 6 и ключ 12, выход которого соединен со вторым входом сумматора 2. Кроме того, устройство содержит источник частоты дискретизации 7, содержащий N опорных генераторов 8.1-8.N, выходы которых соединены с соответствующими N входами коммутатора 9, выход которого является выходом источника частоты дискретизации 7 и соединен с тактовым входом АЦП 3, выход которого через последовательно соединенные вычислитель амплитуды принимаемого сигнала 10 и цифровой компаратор 11 соединен с первым входом ключа 12.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Входной радиочастотный сигнал поступает на вход радиоприемного устройства и проходит через блок входных цепей и преселектора 1, в котором происходят его усиление и фильтрация помех, находящихся вне полосы пропускания преселектора. С выхода блока 1 принимаемый сигнал поступает на первый вход сумматора 2, где происходит его сложение с подаваемым через ключ 12 аддитивным размывающим сигналом, формируемым в блоке 6.
С выхода сумматора 2 сигнал поступает на сигнальный вход АЦП 3, на тактовый вход которого поступает сигнал с частотой дискретизации. Для его формирования в состав источника частоты дискретизации 7 входят N опорных генераторов 8.1-8.N и коммутатор 9, подключающий тактовый вход АЦП 3 к одному из этих генераторов, в соответствии с текущим режимом работы АЦП 3. Квантованные отсчеты сигнала после АЦП 3 поступают в цифровой приемный тракт 4, а также на вход вычислителя амплитуды принимаемого сигнала 10, с выхода которого измеренное значение амплитуды принимаемого сигнала подается на вход цифрового компаратора 11, где происходит сравнение значения амплитуды принимаемого сигнала с пороговым значением П2 этого компаратора. Если амплитуда принимаемого сигнала превышает пороговое значение П2, то ключ 12 прекращает поступление размывающего сигнала с выхода блока 6 на второй вход сумматора 2, если же измеренная амплитуда меньше порогового значения П2, то ключ 12 пропускает размывающий сигнал с выхода блока 6 на второй вход сумматора 2. В цифровом приемном тракте 4 осуществляется фильтрация, перенос сигнала на нулевую частоту и децимация для понижения частоты дискретизации. Далее, в демодуляторе 5 происходит принятие решения о приеме сигнала. Принятая информация поступает на выход радиоприемного устройства.
К несомненным преимуществам такой реализации устройства относится отсутствие влияния дрейфа уровня переполнения АЦП 3 на принятие решения об отключении размывающего сигнала, независимо от температурного режима работы, поскольку оценка амплитуды и сравнение с порогом выполняются в цифровом виде. Это позволяет увеличить максимальный неограниченный уровень блокирующего сигнала путем строгого задания максимально возможного порога отключения размывающего сигнала. Частотная избирательность, для обеспечения которой в устройстве-прототипе используется размывающий сигнал, также не изменяется, поскольку при больших уровнях, превышающих порог срабатывания П2 цифрового компаратора 11, блокирующий сигнал обеспечивает уменьшение корреляции между сигналом и продуктами, возникающими вследствие нелинейности амплитудной характеристики АЦТ, и является размывающим сигналом для принимаемого сигнала.
Реализация блоков 1-9 и 12 заявляемого приемного устройства аналогична блокам устройства-прототипа и может быть выполнена в соответствии с монографией Пауль Хоровиц и Уинфилд Хилл «Искусство схемотехники» в 2-х томах. Москва, Мир, 1986 г.
Реализация блока 11 известна и также описана в монографии Пауль Хоровиц и Уинфилд Хилл «Искусство схемотехники» в 2-х томах. Том 1. Москва, Мир, 1986 г., стр. 534-535.
Блок 10 предназначен для оценки цифрового кода А на выходе АЦП, соответствующего мгновенной амплитуде принимаемого сигнала, путем вычисления абсолютного значения текущих отсчетов S принимаемого сигнала, которое в общем случае может быть рассчитано по формуле:
,
где S - цифровой код текущего отсчета принимаемого сигнала;
- цифровой код, соответствующий мгновенной амплитуде принимаемого сигнала;
- поразрядно инвертированное значение цифрового кода текущего отсчета принимаемого сигнала.
Реализация блока 10 является обычной инженерной задачей и может быть выполнена, например, в соответствии с алгоритмом, представленным на фиг. 3.
С выхода АЦП 3 отсчеты принимаемого сигнала подаются в блок 14, где происходит сохранение текущего отсчета принимаемого сигнала в переменную S для оценки модуля. Далее для этого в блоке 15 определяется знак текущего отсчета путем сравнения с нулем значения переменной S.
Если выполняется условие S≥0, то сохраненное значение определяет мгновенное значение А амплитуды принимаемого сигнала, которое подается на выход блока 10.
Если условие S≥0 не выполняется, то в соответствии с принципом вычисления противоположного числа в дополнительном коде в блоке 16 производится поразрядная инверсия значений S, получатся , а затем это значение увеличивается на единицу.
В этом случае на выходе блока 10 имеем:
1
A=S+1.
Далее полученное значение А подается к блоку 11.
Приведем доказательство эффективности работы заявляемого устройства.
Величина динамического диапазона по блокированию определяется как отношение максимального уровня радиопомехи на входе, при котором коэффициент блокирования равен заданному значению, к чувствительности радиоприемного устройства при отсутствии помех.
Для увеличения динамического диапазона задача была определена как обеспечение максимального размаха принимаемого сигнала на входе АЦП, не приводящего к ограничению в АЦТ независимо от дрейфа уровня переполнения АЦП.
В соответствии с задачей было реализовано радиоприемное устройство, в котором для приема смеси полезного сигнала и блокирующей помехи обеспечено использование полного диапазона входных сигналов АЦП, не вызывающих переполнение, независимо от амплитуды размывающего сигнала и температурного режима работы устройства.
Для обеспечения максимального динамического диапазона в устройстве-прототипе поддерживается максимальный размах принимаемого сигнала на входе АЦП, не приводящий к ограничению в АЦТ. Для этого реализуется ключевое управление амплитудой размывающего сигнала на основании сравнения амплитуды входного сигнала с жестко заданным порогом П1 в компараторе 18. При такой реализации всегда существует погрешность оцифровки и температурный дрейф характеристик АЦП и пикового детектора, которые проявляются в динамическом изменении уровня переполнения АЦП, что при фиксированном уровне порога компаратора может приводить к переполнению в АЦТ. Это приводит к необходимости учета данного эффекта путем уменьшения порога компаратора на величину погрешности, что приводит к сужению динамического диапазона.
Пороговое значение П1 в компараторе 18 устройства-прототипа определяется:
max
d
П1=A-A-ξ,
max
где A - максимальная амплитуда сигнала на входе АЦП, В;
d
A - амплитуда размывающего сигнала, В;
ξ - суммарная погрешность оцифровки, В.
Следовательно, в прототипе для количественной оценки увеличения динамического диапазона радиоприемного устройства необходимо оценить суммарную погрешность основных температурно-зависимых и зависящих от времени характеристик АЦП (смещение нуля и изменение крутизны характеристики преобразования) и компаратора (смещение нуля).
При введении в состав приемного устройства блоков 10 и 11 получим, что пороговое значение П2 цифрового компаратора 11, по сравнению со значением П1 (компаратора в прототипе), может быть увеличено на величину , что позволяет обеспечить максимальный динамический диапазон независимо от температурного режима работы приемного устройства и амплитуды размывающего сигнала.
Таким образом, в заявляемом устройстве пороговое значение П2 цифрового компаратора 11 определяется:
,
где FS - мгновенное значение цифрового сигнала, соответствующее максимальному входному мгновенному напряжению, не вызывающему ограничения АЦП;
d
A - амплитуда размывающего сигнала, В;
ADC
K - коэффициент преобразования АЦП, устанавливающий соответствие между входным напряжением АЦП и его выходным кодом, .
В частном случае, например, микросхема АЦП AD9626 имеет ошибку смещения, равную 4 мВ, ошибку усиления 1.4 мВ, смещение нуля ±8 мкВ/°С, и изменение крутизны характеристики преобразования 0.021%/°С. Тогда величина погрешности оцифровки принимаемого сигнала ξ при уровне переполнения АЦП 1.25 В, разрешении квантования 12 бит и температурном диапазоне от минус 40°С до 85°С составит:
-3
-3
-2
-6
ξ=4⋅10+1.4⋅10+125⋅0.021⋅1.25⋅10+8⋅10⋅125≈40 мВ
Тогда, в этом конкретном случае, в заявляемом радиоприемном устройстве амплитуда блокирующей помехи, не приводящей к переполнению АЦП, может быть увеличена на  по сравнению с прототипом, при этом достигается увеличение динамического диапазона по блокированию независимо от температурного режима.
Это позволяет осуществлять в цифровом виде оценку амплитуды сигнала и сравнение ее с пороговым значением независимо от дрейфа уровня переполнения АЦП.
Следовательно, заявляемое радиоприемное устройство обеспечивает дополнительное расширение динамического диапазона по блокированию для обеспечения устойчивой радиосвязи в сложной помеховой обстановке.
Литература
1. Патент РФ на изобретение №2548658. Радиоприемное устройство с ключевым управлением амплитудой размывающего сигнала. - Маковий B.А., Шкуров С.А., Ермаков С.А. МПК Н04В 1/64 - 8 с., Регистрация 03.10.2013. - Опубл. 20.04.15 г., Бюл. №11.
2. Патент США №6268814, опубл. 31.07.2001.
3. Маковий В.А., Ермаков С.А. Расширение частотного диапазона аналого-цифровых трактов методом цифровой коррекции // Теория и техника радиосвязи. - 2013. - №3. - С. 59-66.
4. Маковий В.А. Цифровая коррекция комбинаций в SDR радиостанциях // Теория и техника радиосвязи. - 2012. - №3. - С. 25-34.
5. ГОСТ 24375-80. Радиосвязь. Термины и определения. - М.: Изд-во стандартов, 1987. - 58 с.
6. Маковий В.А. Расчет аналого-цифрового тракта программно-определяемого радиосредства // Теория и техника радиосвязи. - 2010. - №2. - C. 65-73.