СВЧ-ПРИЕМНИК С ЦИФРОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКОЙ ЧАСТОТЫ

Устройство относится к радиотехнике, в частности к радиоприемным устройствам связи СВЧ, и может быть использовано для точной автоподстройки частоты, также может быть использовано в устройствах метео-РЛС для приема информации от радиозондов.
Профессиональные радиоприемные устройства обеспечивают вхождение в связь без поиска и ведения связи без ручной подстройки. Эта задача решается повышением частотной точности приемника и применением автоматической подстройки частоты (АПЧ), которая осуществляет коррекцию неточности первоначальной установки частоты настройки приемника и уменьшает расстройку, возникающую в процессе приема сигнала за счет нестабильности гетеродина приемника и частоты передатчика. Классическая схема АПЧ содержит, кроме элементов основного тракта приемника, дополнительные элементы: дискриминатор и управитель. Дискриминатор предназначен для определения величины отклонения частоты от ее номинального значения. Управитель обеспечивает необходимое изменение частоты управляемого генератора, см. "Радиоприемные устройства" В.Д.Якимов и К.М.Павлов, М., Связь, 1975, стр.334-338.
Недостатками этого способа являются: малый коэффициент автоподстройки в силу применения аналогового принципа; в СВЧ-приемниках этот принцип вообще неэффективен (даже при применении ФАПЧ), так как может быть захвачена неосновная частота; при малом отношении сигнал-шум, что особенно характерно при отношении меньше двух, этот способ почти неработоспособен.
Известны импульсные АПЧ, которые обеспечивают постоянство промежуточной частоты, подстраивая частоту гетеродина по принятому сигналу,
см. "Основы радиотехники, Т.Т.Машкова и С.Н.Степапов, М., Радио и связь, 1992, стр217.
Недостатками этих АПЧ являются следующие: требуют наличие двух детекторов (частотного и пикового); низкая помехоустойчивость; сложность использования одновременно АПЧ и автоматической регулировки усиления (АРУ).
Известен синхронный гетеродинный радиоприемник с системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) (см. заявку №93018635), в котором колебания гетеродина модулируются низкой частотой, что позволяет применить усилители переменного напряжения, кроме того в приемнике применена АРУ, что в итоге позволило повысить стабильность, чувствительность и помехоустойчивость.
К его недостаткам относится: сложность схемотехнического решения, требующего дополнительного генератора НЧ, модулятора и пр.; объединение в одном канале АПЧ и АРУ. что обуславливает взаимное влияние этих регулировок друг на друга, а в результате на весть приемный тракт.
В современных приемниках находят применение цифровые схемы АПЧ, работающие совместно с цифровыми индикаторами частоты, см. например, "Радиооборудование самолетов", Сафронов Н.А., М., Машиностроение. 1978, в которых частота сигнала на выходе АПЧ оцифровывается, подается на микропроцессор, где сравнивается с заданной (записанной в ОЗУ), а полученная разность используется для регулировки гетеродина.
Недостатками таких приемников являются следующие: в тракте также используется АРУ, а совместное использование этих двух регулировок, особенно в СВ Ч диапазоне, может привести (и приводит) к пропаданию полезного сигнала, если например, для связных приемников это не особенно страшно, то для приемников метео-РЛС это приводит к невосполнимой потери информации.
Известен приемник "Аэрологического информационно-вычислительного комплекса АВК-1" А.А.Эфимов, М., Гидрометеоиздат,
1989, стр.48-52, в котором производится преобразование выделенного непрерывного сигнала рассогласования по частоте в цифровой код и затем обратное преобразование кода в непрерывное управляющее напряжение гетеродина СВЧ - ПРОТОТИП.
Недостатком прототипа является его сложность и взаимное влияние автоматических регулировок АПЧ и АРУ друг на друга, что может привести к искажению полезною сигнала и даже его потере.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности регулировок АРУ и АПЧ в условиях дестабилизирующих факторов (низком отношении сигнал-шум и пр.) за счет:
построения предлагаемого схемотехнического решения;
технологической прозрачности;
низкой стоимости аппаратных средств. Для решения поставленной задачи предлагается СВЧ-приемник с цифровой автоподстройкой частоты, содержащий: антенный блок с приемной антенной, модуль СВЧ, модуль АПЧ н модуль приемного тракта, прячем модуль СВЧ содержит малошумящий усилитель (МШУ), смесителя основной и канала АПЧ, усилители промежуточной частоты (УПЧ), основной и канала АПЧ, синтезатор частоты основной и канала АПЧ, соединенные следующим образом: выход антенного блока через МШУ соединен с входами обоих смесителей, выходы смесителей основного и канала АПЧ соединены соответственно с основным и канала АПЧ усилителями промежуточной частоты, основной синтезатор соединен с управляющим входом основного смесителя, а синтезатор АПЧ-смесителя АПЧ; модуль АПЧ содержит микроконтроллер (МК) с портами ввода/вывода АЛУ и ПЗУ, внешнее ОЗУ, АЦП, PLD и схему внешнего управления, соединенные следующим образом: порты ввода/вывода первой внутренней двунаправленной шиной адреса и данных соединены с АЛУ МК, входом со схемой внешнего управления, выходом через шину последовательного синхронного интерфейса - с задающими входами обоих синтезаторов, выход УПЧ АПЧ через АЦП третьей двунаправленной
шиной адреса и данных соединен с PLD, выход которой соединен с внешней ОЗУ, выход которой второй двунаправленной шпион адреса и данных соединена с АЛУ МК и ПЗУ МК, порты ввода/вывода МК управляющими сигналами соединены с АЦП; модуль приемного тракта содержит полосовой фильтр, частотный детектор, линейный видеоусилитель (ЛВУ) с АРУ, соединены последовательно, причем выход ЛВУ является выходом приемника, а выход АРУ соединен с входом регулировки усиления основного УПЧ.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства, на фиг.2 - алгоритм работы, на Фиг. 3 - АЧХ устройства по каналу АПЧ, на которых изображено: 1 - модуль СВЧ, 2 - модуль АПЧ, 3 - модуль приемного тракта, 4 - антенный блок, 5 - МШУ, 6 и 7 - смесители основной и АПЧ соответственно, 8 и 9 - УПЧ основной и УПЧ соответственно, 10 и 11 - синтезаторы частоты основной и АПЧ соответственно, 12 - АЦП, 13 - порты ввода/вывода МК, 14 - схема внешнего управления, 15 - АЛУ МК, 16 - ПЗУ МК, 17 - внешнее ОЗУ МК, 18 - полосовой фильтр, 19 - частотный детектор, 20 - ЛВУ с АРУ, 21 - PLD, 22 - микроконтроллер, А - антенна, первая, вторая и третья двунаправленная шины адреса и данных, шина последовательного синхронного интерфейса.
Структурная схема имеет следующие соединения: антенна А. являющаяся входом устройства, через антенный блок 4 н МШУ 5 соединена с входами смесителей 6 н 7, выходы которых соединены с УПЧ 8 н 9 соответственно, выход УПЧ 8 через полосовой фильтр 18, частотный детектор 19, и ЛВУ/АРУ 20 замкнут цепью отрицательной обратной связи со своим регулирующим входом, а выход ЛВУ является выходом устройства; выход УПЧ 9 через АЦП 12 соединен с информационными входами PLD 21 третьей шиной адреса и данных, выход которой соединен с ОЗУ 17, АЛУ 15 МК 22 первой шиной адреса и данных соединен с портами ввода/вывода 13, а второй шиной - с ПЗУ 16 и ОЗУ 17, схема внешнего управления 14 соединена с задающим входом портов ввода/вывода 13, выход указанных портов соединен с входами синтезаторов 10 и 11, выходы которых соединены со смесителями 6 и 7
соответственно, порты ввода/вывода 13 МК 22 управляющими сигналами соединены с АЦП 12, другие вспомогательные цепи и сигналы на схеме условно не показаны.
Указанные блоки и узлы могут быть выполнены на следующих ЭРЭ н ИМС: антенный блок 4 представляет собой полосно-пропускающий фильтр с параллельно-связанными резонаторами, выполненные, например, на микрополосковых линиях; МШУ 5 выполненный, например, на интегральной арсенид-галлиевой ИМС типа MGA-86563, см. каталог фирмы Hewlett Packard "Commumcations Components Designer's Catalog 1998", p.6-220; смесители 6 и 7 могут быть выполнены на смесительных диодах, например, на обращенных туннельных диодах, варикапах, на диодами с барьерами Шоттки (см. "Микроэлектронные устройства СВЧ", под. ред. Г.И.Веселова, М., Высшая школа, 1988, стр.226-227); УПЧ 8 и 9 могут быть выполнены, например, на полевых транзисторах с пьезокерамическим фильтром, см. "Радиоприемные устройства", В.Д.Екимов и др., М., Связь, 1975, стр.159; синтезаторы 10 и 11 могут быть выполнены на ИМС UMA1020 фирмы Philips, см. "Product Specification". 1995, Jun 15, File under integrated Circuits; АЦП 12 - быстродействующий 8-12 разрядный, например, на ИМС AD571KN с fпp=40 МГц, см. "Зарубежные интегральные микросхемы". А.В.Нефедов и др., М., Энергоатомиздат. 1989, стр.132: PLD 21 может быть выполнен на базовом матричном кристалле, см. ж. Chip News. М.. Август 2000, стр.18-21; микроконтроллер 22 может быть выполнен на ИМС 80Х196КС, см. "Микроконтроллеры" под ред. Н.А.Казаченко, М, 1997, статья "Руководство по применению в системах управления 16 разрядных МК Jntel во встроенных системах управления"; ОЗУ 17 - статическое высокоскоростное типа SDT 71256 SA15TP с временем доступа 15 нСек; частотный детектор 19 может быть выполнен по схеме см. "Радиоприемные устройства", под ред. Н.Н.Фомина. М., Р и С, 1996, стр.330-332; АРУ по схеме см. "Радиоприемные устройства", под ред. Н.Н.Фомина, М., Р и С, 1996, стр.402-404.
СВЧ-приемник с цифровой автоподстройкой частоты работает следующим образом. Вначале следует заметить, что информационные сигналы, поступающие на вход приемника представляют собой (для случая работы с аэрологическими радиозондами) СВЧ-сигналы с основной несущей частотой и модулирующими частотами, которые являются носителями телеметрической и радиолокационной информации. Входной СВЧ-сигнал через приемную антенну А поступает на антенный блок 4, количество резонаторов которого определяется требуемой полосой пропускания, отфильтрованный сигнал поступает на МШУ 5, предназначенный для компенсации потерь в СВЧ-фильтре антенного блока 4, увеличения отношения сигнал-шум всего приемника, предотвращение проникновения паразитного излучения радиочастоты детектора 18 в приемную антенну А, развязки входного СВЧ-фильтра от детектора 18 для создания оптимального приема сигналов некогерентного режима работы. Сам детектор 19 производит детектирование сигналов, которые прошли через полосовой фильтр 18 и поступают на ЛВУ 20, АРУ которого служит для регулировки коэффициента передачи основного УПЧ 8. Одновременно сигнал с МШУ 5 поступает через смеситель 7 и УПЧ 9 на АЦП 12, где амплитуда сигнала оцифровывается и в виде параллельного кода поступает на PLD 21, в которой принятое в коде значение сигнала преобразуется в форму, удобную для записи в ОЗУ 17, т.е. формируется адресная часть, данные, временные соотношения между сигналами управления, записи и т.д. Эти данные регулярно записываются в ОЗУ 17 с частотой выборки АЦП 12. Программа нахождения частоты, имеющей максимальную амплитуду, записана в ПЗУ 16 МК 22, по этой программе с частотой выборки АЦП 12 проходим спектр частот сигнала и определяем ту частоту, амплитуда которой максимальна, затем, управляя синтезатором 9 и 11, на этой частоте получаем максимальный сигнал на выходах УПЧ 8 и 9; можно по этому же принципу, но по другому алгоритму, записанному также в ПЗУ 16 МК22, определять частоту, соответствующую энергетическому максимуму сигнала, для чего определяется площадь снятой АЧХ и находится центр ее "тяжести"
геометрический центр), частота, на которой он находится, и является искомой. Таким образом, найденная искомая частота определяет максимум сигнала на выходах УПЧ 8 и 9. Видим, что при таком построении схемы основной канал имеет собственную регулировку только по усилению (АРУ), а дополнительный канал (канал АПЧ) определяет регулировку по частоте, образно говоря, каждый канал занимается своим делом, но дополнительный канал по частоте разгружает основной, оставляя последнему функцию только обработки информации. Внешняя схема управления 14 служит для внесения изменений в программу работы МК 22 в случае необходимости, например, выбор работы модуля АПЧ 2 по амплитуде или энергетическому максимуму (определяется, исходя из следующих условий: по амплитуде имеем высокое быстродействие, по энергетическому максимуму - высокую эффективность или достоверность, повышенную помехоустойчивость, но более низкое быстродействие).
На АЧХ (фиг.3) видно, что реально снятые характеристики (4 кривые) имеют очень большую сходимость при разных соотношениях сигнал-шум. т.е. отклонения кривых друг от друга связаны с различием случайных шумовых реализации, а небольшой "горб" на частоте 1770 МГц может быть при работе канала АПЧ по амплитуде принят устройством за истинную искомую величину, а при работе по энергетическому максимуму это не произойдет, т.к. будет обсчитана вся площадь АЧХ и ложного захвата не будет.