ВХОДНОЕ УСТРОЙСТВО ОДНОТРАКТОВОГО МНОГОДИАПАЗОННОГО РАДИОПРИЕМНИКА
INPUT DEVICE OF SINGLE-CHANNEL MULTIBAND RADIO RECEIVER

Изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано в радиоприемных устройствах диапазона СДВ.
Известно входное устройство многодиапазонного однотрактового радиоприемника, описание которого приведено в книге Березовский В.А. и др., Современная декаметровая связь. С. 147, рис. 2.22. [1].
Известное входное устройство однотрактового многодиапазонного радиоприемника содержит соединенные последовательно антенный вход, фильтр нижних частот, входное коммутационное устройство, частотно-селективную систему, содержащую М каналов, выходное коммутационное устройство, усилитель радиочастоты.
Известное устройство имее ограниченную избирательность.
Данное устройство выбрано нами в качестве прототипа.
Задача изобретения - расширение арсенала средств в области радиоприемных устройств
Технический результат - увеличение избирательности радиоприемного тракта. Технический результат достигается тем, что во входном устройстве однотрактового многодиапазонного радиоприемника, содержащем соединенные последовательно антенный вход, фильтр нижних частот, входное коммутационное устройство, частотно-селективную систему, содержащую М каналов, выходное коммутационное устройство, усилитель радиочастоты, согласно изобретению в частотно-селективном устройстве каждый канал содержит общую шину и соединенные последовательно входную потенциальную клемму, поддиапазонный полосовой фильтр, управляемый аттенюатор, второй усилитель радиочастоты, перестраиваемый полосовой фильтр и выходную потенциальную клемму, при этом у входного коммутатора вход соединен с выходом фильтра нижних частот, а каждый выход - с входной клеммой соответствующего канала, у выходного коммутатора вход соединен с входом выходного усилителя радиочастоты, а каждый выход - с выходной потенциальной клеммой соответствующего канала,
поддиапазонный полосовой фильтр содержит общую шину, входную и выходную потенциальную клеммы, первый конденсатор, у которого первый вывод соединен с входной потенциальной клеммой, а второй вывод соединен с первым выводом второго конденсатора, первым выводом первого индуктивного элемента и первым выводом третьего конденсатора, второй вывод второго конденсатора соединен с общей шиной, второй вывод третьего конденсатора соединен с первыми выводами четвертого и пятого конденсаторов, а также с первым выводом второго индуктивного элемента, второй вывод четвертого конденсатора соединен с общей шиной, второй вывод пятого конденсатора соединен с выходной потенциальной клеммой, при этом первый и второй индуктивные элементы выполнены по идентичным схемам обобщенного конвертора сопротивлений, каждый из которых содержит первый резистор, первый вывод которого является входом конвертора и подключен к неинвертирующему входу первого операционного усилителя, второй вывод первого резистора соединен с выходом второго операционного усилителя и первым выводом второго резистора, у которого второй вывод соединен с инвертирующими входами первого и второго операционных усилителей, а также с первым выводом третьего резистора, у которого второй вывод соединен с выходом первого операционного усилителя и первым выводом шестого конденсатора, второй вывод которого подключен к неинвертирующему входу второго операционного усилителя и является выходом обобщенного конвертора, вход первого обобщенного конвертора подключен к первому выводу второго конденсатора, вход второго обобщенного конвертора подключен в первому выводу четвертого конденсатора, выход первого конвертора соединен с первым выводом четвертого резистора, выход второго конвертора соединен с первым выводом пятого резистора, вторые выводы четвертого и пятого резисторов соединены с общей шиной,
перестраиваемый полосовой фильтр содержит общую шину, входную и выходную потенциальные клеммы, седьмой конденсатор, подключенный первым выводом к входной потенциальной клемме, ко второму выводу седьмого конденсатора подключены третий индуктивный элемент, а также восьмой и девятый конденсаторы, ко второму выводу девятого конденсатора подключены четвертый индуктивный элемент, а также десятый и одинадцатый конденсаторы, ко второму выводу одинадцатого конденсатора подключены пятый индуктивный элемент, а также двенадцатый и тринадцатый конденсаторы, ко второму выводу тринадцатого конденсатора подключены шестой индуктивный элемент, а также четырнадцатый и пятнадцатый конденсаторы, вторые выводы восьмого, десятого, двенадцатого и четырнадцатого конденсаторов соединены с общей шиной, второй вывод пятнадцатого конденсатора подключен к выходной потенциальной клемме канала, при этом все четыре индуктивных элемента выполнены по идентичной схеме обобщенного конвертора сопротивлений, каждый из которых содержит шестой резистор, подключенный к входу обобщенного конвертора и неинвертирующему входу третьего операционного усилителя, второй вывод шестого резистора соединен с выходом четвертого операционного усилителя и седьмым резистором, второй вывод которого соединен с инвертирующими входами третьего и четвертого операционных усилителей и восьмым резистором, второй вывод которого соединен с выходом третьего операционного усилителя и шестнадцатым конденсатором, второй вывод которого соединен с неинвертирующим входом четвертого операционного усилителя и выходом обобщенного конвертора при этом вход третьего обобщенного конвертора подключен ко второму выводу седьмого конденсатора, вход четвертого обобщенного конвертора подключен ко второму выводу девятого конденсатора, вход пятого обобщенного конвертора подключен ко второму выводу одиннадцатого конденсатора, вход шестого обобщенного конвертора подключен ко второму выводу тринадцатого конденсатора, выходы всех четырех обобщенных конверторов объединены и подключены к электронному цифроуправляемому потенциометру, второй вывод которого соединен с общей шиной,
в устройство дополнительно введены второй управляемый аттенюатор и аналого-цифровой преобразователь, при этом вход дополнительного аттенюатора соединен с выходом усилителя радиочастоты, а выход соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, у которого выход соединен с выходом входного устройства, а управляющий выход соединен с входом управления аттенюатора.
Сущность изобретения состоит в том, что в предлагаемом входном устройстве однотрактового многодиапазонного радиоприемника, в отличие от прототипа,
в частотно-селективном устройстве каждый канал содержит общую шину и соединенные последовательно входную потенциальную клемму, поддиапазонный полосовой фильтр, второй управляемый аттенюатор, второй усилитель радиочастоты, перестраиваемый полосовой фильтр и выходную потенциальную клемму, при этом у входного коммутатора вход соединен с выходом фильтра нижних частот, а каждый выход с входной клеммой соответствующего канала, у выходного коммутатора вход соединен с входом выходного усилителя радиочастоты, а каждый выход - с выходной потенциальной клеммой соответствующего канала,
поддиапазонный полосовой фильтр, содержит общую шину, входную и выходную потенциальную клеммы, первый конденсатор, у которого первый вывод соединен с входной потенциальной клеммой, а второй вывод соединен с первым выводом второго конденсатора, первым выводом первого индуктивного элемента и первым выводом третьего конденсатора, второй вывод второго конденсатора соединен с общей шиной, второй вывод третьего конденсатора соединен с первыми выводами четвертого и пятого конденсаторов, а также с первым выводом второго индуктивного элемента, второй вывод четвертого конденсатора соединен с общей шиной, второй вывод пятого конденсатора соединен с выходной потенциальной клеммой, при этом первый и второй индуктивные элементы выполнены по идентичным схемам обобщенного конвертора сопротивлений, каждый из которых содержит первый резистор, первый вывод которого является входом конвертора и подключен к неинвертирующему входу первого операционного усилителя, второй вывод первого резистора соединен с выходом второго операционного усилителя и первым выводом второго резистора, у которого второй вывод соединен с инвертирующими входами первого и второго операционных усилителей, а также с первым выводом третьего резистора, у которого второй вывод соединен с выходом первого операционного усилителя и первым выводом шестого конденсатора, второй вывод которого подключен к неинвертирующему входу второго операционного усилителя и является выходом обобщенного конвертора, вход первого обобщенного конвертора подключен к первому выводу второго конденсатора, вход второго обобщенного конвертора подключен в первому выводу четвертого конденсатора, выход первого конвертора соединен с первым выводом четвертого резистора, выход второго конвертора соединен с первым выводом пятого резистора, вторые выводы четвертого и пятого резисторов соединены с общей шиной,
перестраиваемый полосовой фильтр содержит общую шину, входную и выходную потенциальные клеммы, седьмой конденсатор, подключенный первым выводом к входной потенциальной клемме, ко второму выводу седьмого конденсатора подключены третий индуктивный элемент, а также восьмой и девятый конденсаторы, ко второму выводу девятого конденсатора подключены четвертый индуктивный элемент, а также десятый и одиннадцатый конденсаторы, ко второму выводу одиннадцатого конденсатора подключены пятый индуктивный элемент, а также двенадцатый и тринадцатый конденсаторы, ко второму выводу тринадцатого конденсатора подключены шестой индуктивный элемент, а также четырнадцатый и пятнадцатый конденсаторы, вторые выводы восьмого, десятого, двенадцатого и четырнадцатого конденсаторов соединены с общей шиной, второй вывод пятнадцатого конденсатора подключен к выходной потенциальной клемме канала, при этом все четыре индуктивных элемента выполнены по идентичной схеме обобщенного конвертора сопротивлений, каждый из которых содержит шестой резистор, подключенный ко входу обобщенного конвертора и неинвертирующему входу третьего операционного усилителя, второй вывод шестого резистора соединен с выходом четвертого операционного усилителя и седьмым резистором, второй вывод которого соединен с инвертирующими входами третьего и четвертого операционных усилителей и восьмым резистором, второй вывод которого соединен с выходом третьего операционного усилителя и шестнадцатым конденсатором, второй вывод которого соединен с неинвертирующим входом четвертого операционного усилителя и выходом обобщенного конвертора, при этом вход третьего обобщенного конвертора подключен ко второму выводу седьмого конденсатора, вход четвертого обобщенного конвертора подключен ко второму выводу девятого конденсатора, вход пятого обобщенного конвертора подключен ко второму выводу одиннадцатого конденсатора, вход шестого обобщенного конвертора подключен ко второму выводу тринадцатого конденсатора, выходы всех четырех обобщенных конверторов объединены и подключены к электронному цифроуправляемому потенциометру, второй вывод которого соединен с общей шиной.
При сравнении заявляемого устройства не только с прототипом, но и с другими известными в науке и технике техническими решениями, не обнаружены решения, обладающие сходными признаками.
На фиг. 1 приведена функциональная схема входного устройства многоканальной радиоприемной системы; на фиг. 2 приведена принципиальная электрическая схема поддиапазонного полосового фильтра 11: на фиг. 3 приведена эквивалентная электрическая схема поддиапазонного полосового фильтра: на фиг. 4 приведена принципиальная электрическая схема перестраиваемого полосового фильтра; на фиг. 5 приведена эквивалентная электрическая схема перестраиваемого полосового фильтра.
Предлагаемое входное устройство радиоприемника (см. фиг. 1) содержит последовательно соединенные антенный вход 1, фильтр нижних частот 2, входной коммутатор 3, частотно-селективную систему 4, выходной коммутатор 5, выходной усилитель радиочастоты 6, выходной управляемый аттенюатор 7, аналого-цифровой преобразователь 8 и выходную потенциальную клемму 9. У аттенюатора 7 управляющий вход соединен с управляющим выходом аналого-цифрового преобразователя 8. Частотно-селективная система 4 содержит М радиоканалов 10, где М - число поддиапазонов. Каждый радиоканал содержит вход, соединенный с соответствующим выходом входного коммутатора 3 и с входом поддиапазонного полосового фильтра 11. Выход фильтра 11 соединен с входом поддиапазонного управляемого аттенюатора 12, выход которого соединен с входом уилителя радиочастоты 13. Выход усилителя 13 соединен с входом перестраиваемого полосового фильтра 14, выход которого является выходом радиоканала и соединен с соответствующим выходом выходного коммутатора 5. В коммутаторах 3 и 5 могут применяться электронные ключи на основе переключаемых p-i-n диодов.
На фиг. 2 приведена принципиальная электрическая схема поддиапазонного полосового фильтра 11. Поддиапазонный перестраиваемый полосовой фильтр 11 содержит общую шину 15 и входную потенциальную клемму 16, к которой подключен первый вывод конденсатора 17. Второй вывод конденсатора 17 соединен с первыми выводами конденсатора 18 и 19, а также с первым выводом первого индуктивного элемента 20. Второй вывод конденсатора 18 соединен с общей шиной, второй вывод конденсатора 19 соединен с первыми выводами конденсаторов 21 и 22, а также с первым выводом второго индуктивного элемента 23. Второй вывод конденсатора 21 соединен с общей шиной, второй вывод конденсатора 22 соединен с выходной потенциальной клеммой 24. Индуктивные элементы 20 и 23 выполнены по идентичным схемам обобщенного конвертора сопротивлений, каждый из которых содержит резистор 25, первый операционный усилитель 26, второй операционный усилитель 27, а также резисторы 28 и 29 и конденсатор 30. При этом резистор 25 подключен первым выводом к входу обобщенного конвертора и к неинвертирующему входу операционного усилителя 26. Второй вывод резистора 25 соединен с первым выводом резистора 28 и с выходом операционного усилителя 27. Второй вывод резистора 28 соединен с инвертирующими входами операционных усилителей 26 и 27 и с первым выводом резистора 29, второй вывод которого соединен с выходом операционного усилителя 26 и с первым выводом конденсатора 30, у которого второй вывод соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя 27 и выходом обобщенного конвертора. Выход конвертора 20 подключен к первому выводу резистора 31. Выход конвертора 23 подключен к первому выводу резистора 32. Вторые выводы резисторов 31 и 32 соединены с общей шиной. В предлагаемом поддиапазонном полосовом фильтре индуктивные элементы 20 и 23 выполнены в виде двух одинаковых обобщенных конверторов сопротивлений, каждый из которых нагружен на резистор.
На фиг. 3 приведена эквивалентная электрическая схема поддиапазонного полосового фильтра 11, в которой первый и второй конверторы заменены их эквивалентами - катушками индуктивности. Схема, приведенная на фиг. 3, представляет собой полосовой фильтр второго класса по затуханию и второго класса по характеристическому сопротивлению.
Перестраиваемый полосовой фильтр 14 (см. фиг. 4) содержит общую шину 33, входную 34 и выходную 35 потенциальные клеммы, конденсатор 36, подключенный первым выводом к входной потенциальной клемме 34, ко второму выводу конденсатора 36 подключены индуктивный элемент 37, а также конденсаторы 38 и 39, ко второму выводу конденсатора 39 подключены индуктивный элемент 40, а также конденсаторы 41 и 42, ко второму выводу конденсатора 42 подключены индуктивный элемент 43, а также конденсаторы 44 и 45, ко второму выводу конденсатора 45 подключены индуктивный элемент 46, а также конденсаторы 47 и 48, вторые выводы конденсаторов 38, 41, 44 и 47 соединены с общей шиной, второй вывод конденсатора 48 подключен к выходной потенциальной клемме фильтра 35. Индуктивные элементы 37, 40, 43 и 46 выполнены по идентичной схеме обобщенного конвертора сопротивлений, каждый из которых содержит резистор 49, подключенный к входу обобщенного конвертора и неинвертирующему входу операционного усилителя 50, второй вывод резистора 49 соединен с выходом операционного усилителя 51 и вторым резистором 52, второй вывод которого соединен с инвертирующими входами операционных усилителей 50 и 51 и резистором 53, второй вывод которого соединен с выходом операционного усилителя 50 и конденсатором 54, второй вывод которого соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя 51 и выходом обобщенного конвертора при этом вход обобщенного конвертора 37 подключен ко второму выводу первого конденсатора 36, вход обобщенного конвертора 40 подключен ко второму выводу конденсатора 39, вход обобщенного конвертора 43 подключен ко второму выводу конденсатора 42, вход обобщенного конвертора 46 подключен ко второму выводу конденсатора 45, выходы обобщенных конверторов 37, 40, 43 и 46 объединены и подключены к электронному цифроуправляемому потенциометру 55, второй вывод которого соединен с общей шиной.
Перестраиваемый полосовой фильтр работает следующим образом.
На фиг. 5 приведена эквивалентная электрическая схема перестраиваемого полосового фильтра, которая содержит четыре одинаковых звена и представляет собой полосовой фильтр четвертого класса по затуханию.
При одновременном и одинаковом изменении всех четырех входящих в схему индуктивных элементов средняя частота фильтра будет изменяться, а относительная ширина полосы пропускания будет постоянной [3], поскольку фильтр имеет четный класс по затуханию. Характеристическая фаза фильтра на средней частоте равна 2π радиан, входное сопротивление фильтра на средней частоте и частотах, близких к ней, не зависит от характеристического (которое изменяется при перестройки) и амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) при смене частоты настройки изменяется незначительно [3].
В предлагаемом устройстве (фиг. 4) индуктивные элементы выполнены в виде четырех одинаковых обобщенных конверторах сопротивлений, нагруженных на электронный цифроуправляемый потенциометр.
Согласно [2] обобщенные конверторы, используемые в данном устройстве, имеют индуктивное входное сопротивление, величина которого пропорциональна сопротивлению потенциометра. Изменение сопротивления потенциометра приводит к изменению величины входных индуктивных сопротивлений конверторов и, следовательно, к перестройке фильтра по частоте.
Следует отметить, что все конверторы нагружены на одно общее сопротивление электронного потенциометра, поэтому необходимо учесть взаимное влияние конверторов.
Входное сопротивление конвертора 37, нагруженного на сопротивление R, согласно [2] может быть рассчитано по формуле:
1
где W - входное сопротивление конвертора,
54
C - емкость десятого конденсатора 54,
49
R - сопротивление первого резистора 49,
ρ - комплексная частота.
Здесь сопротивления резистора 52 и резисторов 53 выбраны равными, что позволяет получить большую величину добротности имитируемой конвертором индуктивности [2].
0
Со стороны фильтра к конвертору подключена емкость С, поэтому входная проводимость на входе конвертора будет определяться соотношением:
0
Проводимость конвертора 40, подключенного к сопротивлению нагрузки конвертора 37 и нагруженного со стороны второго звена емкость С (все звенья фильтра идентичны), может быть определена выражением [2]:
Поскольку нагрузкой конвертора 37 является проводимость , для входного сопротивления конвертора 37 из (2) и (3) получим:
0
Это означает, что подключение конвертора 40, нагруженного на входе на емкость С, привело к увеличению емкости на входе конвертора 37 в два раза. Индуктивная составляющая, определяемая вторым слагаемым, в последнем выражении не изменилась.
0
Подключение конвертора 43 и конвертора 46 увеличит емкость С на входе конвертора 37 в четыре раза.
Следовательно, чтобы настроить фильтр на заданную рабочую частоту необходимо уменьшить нагрузочное сопротивление потенциометра в четыре раза, что компенсирует взаимное влияние конверторов, работающих на одну общую нагрузку.
Таким образом, предложенная схема перестраиваемого полосового фильтра реализует полосовой фильтр четвертого класса по затуханию. Это обеспечивает высокий уровень затухания в полосе задерживания (60-80 дБ), а также коэффициент прямоугольности АЧХ 1,5-2,0 по уровням 30/3 дБ при относительных полосах пропускания 5-10%. Перестройка средней частоты фильтра производится путем изменения сопротивления потенциометра 55.
Входное устройство многоканальной радиоприемной системы работает следующим образом.
Сигнал с антенного входа 1 поступает на фильтр нижних частот 2, который обеспечивает защиту устройства от помех в диапазоне частот свыше 60 кГц. С выхода фильтра нижних частот групповой сигнал поступает на вход входного коммутатора 3, а затем на вход соответствующего поддиапазонного радиоканала 10 и на вход поддиапазонного полосового фильтра 11. С выхода фильтра 11 групповой сигнал поддиапазона поступает на вход первого управляемого аттенюатора 12, а затем на вход первого усилителя радиочастоты 13. У управляемого аттенюатора 7 вход управления соединен с выходом фильтра 11. При наличии сигнала или помех, превышающих заданный уровень, коэффициент передачи аттенюатора уменьшается. С выхода усилителя 13 групповой сигнал поступает на вход перестраиваемого полосового фильтра 14, который имеет полосу пропускания в пределах 5-10% от средней частоты полосы пропускания, а затем посредством выходного коммутатора 5 на вход усилителя 6. После усиления сигнал поступает на вход аттенюатора 10 и далее на вход аналого-цифрового преобразователя 11. С выхода АЦП 11 сигнал поступает на выходную потенциальную клемму выходного устройства 9 в цифровом виде. У управляемого аттенюатора 7 вход управления соединен с управляющим выходом аналого-цифрового преобразователя 8. В случае перегрузки аналого-цифрового преобразователя помехами или сигналом на управляющий вход аттенюатора 7 с выхода управления аналого-цифрового преобразователя 8 подается сигнал и коэффициент передачи аттенюатора 7 уменьшается, исключая перегрузку аналого-цифрового преобразователя.
К выходу входного устройства радиоприемника могут быть подключены входы блока цифровой обработки сигналов и т.д.
В сравнении с прототипом у предлагаемого многодиапазонного радиоприемного устройства каждый приемный канал имеет более высокую избирательность.
Источники информации
1. В.А. Березовский и др. Современная декаметровая радиосвязь. - М.: Радиотехника, 2011, с. 147, рис. 2.22.
2. Справочник по расчету и проектированию ARC-схем. Букашкин С.А., Власов В.П., Змий Б.Ф. и др. Под редакцией Ланнэ А.А. Москва, «Радио и связь», 1984.
3. Ясинский И.М. Перестраиваемые полосовые фильтры. Техника радиосвязи, 2014, вып. 2 (22).