УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АВАРИЙНЫХ РАДИОМАЯКОВ/РАДИОБУЕВ
DEVICE TO MEASURE TECHNICAL PARAMETERS OF EMERGENCY RADIO BEACONS/BUOYS

Заявленное изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в контрольно-проверочной аппаратуре, предназначенной для измерения технических параметров любых аварийных радиомаяков и радиобуев системы КОСПАС-САРСАТ, работающих в полосе частот 406,0÷406,1 МГц и на приводной частоте 121,5 МГц.
Известны различные виды измерительных устройств общего назначения, например анализатор спектра Е4443А (См. «Каталог контрольно-измерительных приборов общего назначения фирмы Agilent Technologies», апрель 2005 г., стр.22), предназначенный для измерения спектра сигнала в полосе частот от 9 кГц до 6,7 ГГц.
Также известно контрольно-проверочное устройство, такое как тестер Tron Dec 406 MHz SARSAT/COSPAS фирмы JOTRON (См. «Operators manual Sarsat-Cospas 406 MHz Decoder», 2003), предназначенный для отображения на жидкокристаллическом дисплее цифрового сообщения сигнала радиобуя, работающего в полосе частот 406,025 МГц ± 5 кГц.
Перечисленные устройства позволяют проводить высокоточные измерения параметров радиосигналов различных типов аварийных радиобуев в данной полосе частот (406,025 МГц ± 5 кГц), но не приспособлены для измерения параметров радиосигналов в диапазоне частот от 100 до 500 МГц, в том числе на частоте 121,5 МГц.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является устройство для измерения технических параметров аварийных радиомаяков/радиобуев, включающее последовательно соединенные между собой сменный аттенюатор, приемник-переносчик частоты, аналого-цифровой преобразователь, блок обработки параметров радиомаяка/радиобуя, средства отображения и вывода информации, источник стабильной частоты и плата питания, при этом приемник-переносчик частоты содержит смеситель и первый и второй гетеродины, входы которых соединены с источником стабильной частоты [Патент РФ №55994, кл. G01R 31/28, опубл. 27.08.2006 г.]. Блок измерения параметров, являющийся составной частью ПЭВМ, совмещен с устройствами отображения и вывода информации - ПЭВМ и принтером. Приемник-переносчик частоты работает от сети 220 В 50 Гц с дальнейшим преобразованием напряжения питания. Аналого-цифровой преобразователь и блок измерения параметров радиомаяка/радиобуя работают от напряжения питания ПЭВМ. Дополнительно устройство - стенд имеет климатическую камеру, в которую размещают испытуемые радиомаяки/радиобуи.
Известное устройство имеет следующие недостатки.
В известном устройстве вычислительные процессы занимают много времени, вследствие того, что аналого-цифровой преобразователь и блок обработки параметров радиомаяка/радиобуя являются составной частью персональной электронно-вычислительной машины (ПЭВМ), а все вычисления производятся при помощи программно-математического обеспечения (ПМО), встроенного в компьютер.
Возможные сбои в программно-математическом обеспечении (ПМО) приводят к снижению надежности работы устройства и точности измерения технических характеристик радиомаяков/радиобуев.
Кроме того, при использовании ПЭВМ типа PENTIUM модуль аналогового ввода/вывода будет работать только с ПЭВМ этого типа, а блок измерения параметров все вычисления производит с помощью программно-математического обеспечения (ПМО), встроенного в плату компьютера только этого типа.
Известное устройство - стенд имеет значительные габариты, за счет использования крупногабаритных устройств измерения технических параметров и отображения и вывода информации, приспособлений для размещения измерительной аппаратуры и климатической камеры. За счет этого известное устройство предназначено только для применения в специально оборудованных централизованных технических центрах предприятий-изготовителей, в которые направляются радиомаяки/радиобуи для проведения периодических проверок их работоспособности.
Использование устройств отображения и вывода информации в виде ПЭВМ и принтера значительно сокращает возможность визуализации промежуточных измерений технических параметров радиомаяков/радиобуев.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение быстродействия и надежности работы устройства, точности измерения технических характеристик радиомаяков/радиобуев при одновременном уменьшении габаритов устройства.
Кроме того, технической задачей является повышение удобства эксплуатации за счет обеспечения возможности визуального просмотра измеряемых параметров.
Поставленные технические задачи достигаются тем, что в устройстве для измерения технических параметров аварийных радиомаяков/радиобуев, включающем последовательно соединенные между собой сменный аттенюатор, приемник-переносчик частоты, аналого-цифровой преобразователь, блок обработки параметров радиомаяка/радиобуя, средства отображения и вывода информации, источник стабильной частоты и плата питания, при этом приемник-переносчик частоты содержит смеситель и первый и второй гетеродины, входы которых соединены с источником стабильной частоты, приемник-переносчик частоты дополнительно содержит коммутатор, фильтр нижних частот, буферный каскад промежуточной частоты и высокочастотный разъем ВЫХОД.
Смеситель имеет входной высокочастотный разъем, соединенный со сменным аттенюатором, а его выход соединен с входом фильтра нижних частот, первый выход которого соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, а второй выход фильтра соединен с входом буферного каскада промежуточной частоты, выход которого соединен с высокочастотным разъемом ВЫХОД.
Первый и второй входы коммутатора соединены с выходами первого и второго гетеродинов, а его выход соединен со вторым входом смесителя, в качестве источника стабильной частоты используют термостатированный кварцевый генератор, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входами первого и второго гетеродинов.
Блок обработки параметров радиомаяка/радиобуя выполнен в виде цифровой платы, содержащей генератор тактовых импульсов, третий гетеродин, программируемую логическую интегральную схему, память конфигурации, жидкокристаллический индикатор, оперативное запоминающее устройство и интерфейс USB, при этом один из выходов аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом интегральной схемы, а другой многоразрядный выход преобразователя соединен с первым многоразрядным входом интегральной схемы, выход которой соединен со вторым входом аналого-цифрового преобразователя, первый и второй входы генератора тактовых импульсов соединены соответственно с третьим выходом термостатированного кварцевого генератора приемника-переносчика частоты и выходом третьего гетеродина, имеющего вход для подключения внешнего источника стабильной частоты, выход генератора тактовых импульсов соединен со вторым входом интегральной схемы, многоразрядный выход интегральной схемы соединен с многоразрядным входом ЖК индикатора, интегральная схема соединена первой и второй двунаправленными шинами соответственно с оперативным запоминающим устройством и с интерфейсом USB.
Многоразрядный выход памяти конфигурации соединен со вторым многоразрядным входом программируемой логической интегральной схемой, представляющей собой кристалл, на котором с помощью программы памяти конфигурации сформированы мультиплексор, имитатор сигнала, умножитель, дециматор, блок выделения амплитуды, компаратор, синтезатор, конечный автомат управления и формирователь тактовых импульсов, при этом первый многоразрядный вход мультиплексора соединен с многоразрядным выходом аналого-цифрового преобразователя, второй многоразрядный вход мультиплексора соединен с многоразрядным выходом имитатора сигнала, многоразрядный выход мультиплексора соединен с многоразрядным входом умножителя, первый и второй многоразрядные выходы которого соединены с первым и вторым многоразрядными входами дециматора, первый и второй многоразрядные выходы дециматора соединены с первым и вторым многоразрядными входами блока выделения амплитуды, многоразрядный выход которого соединен с первым многоразрядным входом компаратора, а выход последнего соединен с первым входом конечного автомата управления, второй вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, первый многоразрядный выход последнего соединен со вторым многоразрядным входом компаратора, второй многоразрядный его выход соединен с многоразрядным входом ЖК индикатора, а многоразрядный вход конечного автомата управления соединен первым многоразрядным выходом дециматора, первый выход автомата управления соединен с первыми входами умножителя и дециматора, второй выход автомата управления соединен с входом мультиплексора, конечный автомат управления соединен с оперативным запоминающим устройством и интерфейсом USB двумя соответствующими двунаправленными шинами, вход формирователя тактовых импульсов соединен с выходом генератора тактовых импульсов, первый выход формирователя соединен со вторым входом дециматора, второй выход формирователя соединен со вторым входом аналого-цифрового преобразователя и входом синтезатора, первый и второй многоразрядные выходы которого соединены со вторым и третьим многоразрядными входами умножителя.
Целесообразно в качестве средства отображения и вывода информации использовать ПЭВМ и принтер, при этом интерфейс USB соединен третьей двунаправленной шиной с входом ПЭВМ, выход которой соединен с принтером.
Предпочтительно приемник-переносчик частоты, аналого-цифровой преобразователь, блок математической обработки параметров радиомаяка/радиобуя, источник стабильной частоты и плата питания конструктивно собрать в одном корпусе, а плату питания соединить со всеми узлами устройства.
Сущность технического решения поясняется чертежами: на Фиг.1 представлена общая блок-схема устройства для измерения технических параметров аварийных радиомаяков/радиобуев; на Фиг.2 - блок-схема ПЛИС.
Устройство для измерения технических параметров аварийных радиомаяков/радиобуев состоит из последовательно установленных и соединенных между собой сменного аттенюатора 1, приемника-переносчика частоты, аналого-цифровой преобразователя 2 (АЦП), блока 3 обработки параметров радиомаяка/радиобуя, средств отображения и вывода информации и источника стабильной частоты 4. Все перечисленные узлы соединены с платой питания 5, напряжения которой разведены по составляющим логическим элементам согласно фиг.1. В устройство также входят: комплект соединительных кабелей, кабель интерфейсный, кабель питания.
Основными функциональными составляющими устройства являются блок приемника-переносчика частоты (далее по тексту ППЧ) и компакт-диск программно-математического обеспечения «SMC.EXE» (далее по тексту ПМО "SMC.EXE") со всеми необходимыми установочными файлами и папками.
Приемник-переносчик частоты содержит смеситель 6, коммутатор 7, фильтр нижних частот 8, буферный каскад промежуточной частоты 9, первый и второй гетеродины соответственно 10 и 11, входы которых соединены с источником стабильной частоты 4, и высокочастотный разъем ВЫХОД 12.
Сменный аттенюатор 1 снабжен входом для подключения радиомаяка/радиобуя и выходом для соединения с входным высокочастотным разъемом смесителя 6, а выход последнего соединен с входом фильтра нижних частот 8. Первый выход фильтра 8 соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя 2, а второй выход фильтра 8 соединен с входом буферного каскада промежуточной частоты 9, выход которого соединен с высокочастотным разъемом ВЫХОД 12. Первый и второй входы коммутатора 7 соединены с выходами первого и второго гетеродинов соответственно 10 и 11, а его выход соединен со вторым входом смесителя 6. В качестве источника стабильной частоты 4 используют термостатированный кварцевый генератор, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входами первого и второго гетеродинов (10 и 11).
Блок обработки параметров радиомаяка/радиобуя 3 выполнен в виде цифровой платы, содержащей генератор тактовых импульсов 13, третий гетеродин 14, программируемую логическую интегральную схему 15, память конфигурации 16, жидкокристаллический индикатор 17, оперативное запоминающее устройство 18 (ОЗУ) и интерфейс USB 19.
В качестве средства отображения и вывода информации используют ПЭВМ 20 и принтер 21.
Один из выходов аналого-цифрового преобразователя 2 соединен с первым входом интегральной схемы 15, а другой многоразрядный выход преобразователя 2 соединен с первым многоразрядным входом интегральной схемы 15, первый выход которой соединен со вторым входом аналого-цифрового преобразователя 2. Первый и второй входы генератора тактовых импульсов 13 соединены соответственно с третьим выходом термостатированного кварцевого генератора 4 приемника-переносчика частоты и выходом третьего гетеродина 14, имеющего вход для подключения внешнего источника стабильной частоты.
Выход генератора тактовых импульсов 13 соединен со вторым входом интегральной схемы 15. Многоразрядный выход памяти конфигурации 16 связан с программируемой логической интегральной схемой 15. Первый многоразрядный выход интегральной схемы 15 соединен с многоразрядным входом ЖК индикатора 17. Интегральная схема 15 соединена первой и второй двунаправленными шинами соответственно с оперативным запоминающим устройством 18 и с интерфейсом USB 19.
Интерфейс USB 19 соединен третьей двунаправленной шиной с входом ПЭВМ 20, выход которой соединен с принтером 21.
Плата питания 5 работает от источника напряжения +(27÷369) В и имеет выходные напряжения, обозначенные на фиг.1.
Программируемая логическая интегральная схема 15 (ПЛИС) представляет собой кристалл, на котором сформированы памятью конфигурации 16 мультиплексор 22, имитатор сигнала 23, умножитель 24, дециматор 25, блок выделения амплитуды 26, компаратор 27, синтезатор 28, конечный автомат управления 29 и формирователь тактовых импульсов 30.
В устройстве может быть использована программируемая логическая интегральная схема ПЛИС фирмы Xilinx типа VIRTEX-4 SX с архитектурой FPGA, которая позволяет производить цифровую обработку сигнала со скоростью передачи от 622 МГц.
Наличие распределенного ОЗУ 18 емкостью до 16 Мбит, количество логических ячеек до 200000, напряжение питания ядра 1,2 В, динамическая реконфигурация модуля, собранного в корпусе кристалла с шариковыми выводами типа Flip-Chip, - все эти характеристики позволяют реализовать законченную систему с минимальным набором компонентов на печатной плате.
Функционирование программируемой логической интегральной схемы определяется загружаемыми во внутренние ячейки памяти данными конфигурации. Загрузка данных осуществляется из памяти конфигурации и полностью управляется самой микросхемой.
Данные конфигурации создаются пользователем при помощи программы IMPACT, входящей в состав системы автоматического проектирования (САПР) серии Xilinx ISE, которое включает в себя модули схемного и текстового ввода, моделирование, верификацию и загрузку данных в память конфигурации.
Первый многоразрядный вход мультиплексора 22 соединен с многоразрядным выходом аналого-цифрового преобразователя 2, второй многоразрядный вход мультиплексора 22 соединен с многоразрядным выходом имитатора сигнала 23.
Многоразрядный выход мультиплексора 22 соединен с многоразрядным входом умножителя 24, первый и второй многоразрядные выходы которого соединены с первым и вторым многоразрядными входами дециматора 25. Первый и второй многоразрядные выходы дециматора 25 соединены с первым и вторым многоразрядными входами блока выделения амплитуды 26, многоразрядный выход которого соединен с первым многоразрядным входом компаратора 27, а выход последнего соединен с первым входом конечного автомата управления 29. Второй вход последнего соединен со с входом аналого-цифрового преобразователя 2.
Первый многоразрядный выход автомата 29 соединен со вторым многоразрядным входом компаратора 27, а второй многоразрядный выход соединен с многоразрядным входом ЖК индикатора 17. Многоразрядный вход конечного автомата управления 29 соединен первым многоразрядным выходом дециматора 25, первый выход автомата управления 29 соединен с первыми входами умножителя 24 и дециматора 25, второй выход автомата управления 29 соединен с входом мультиплексора 22.
Конечный автомат управления соединен с оперативным запоминающим устройством 18 и интерфейсом USB 19 двумя соответствующими двунаправленными шинами.
Вход формирователя тактовых импульсов 30 соединен с выходом генератора тактовых импульсов 13, первый выход формирователя 30 соединен со вторым входом дециматора 25, второй выход формирователя 30 соединен со вторым входом аналого-цифрового преобразователя 2 и входом синтезатора 28, первый и второй выходы которого соединены со вторым и третьим входами умножителя 24.
Приемник-переносчик частоты, аналого-цифровой преобразователь 2, блок математической обработки параметров радиомаяка/радиобуя 3, источник стабильной частоты 4 и плата питания 5 конструктивно собраны в одном корпусе.
Устройство для измерения технических параметров аварийных радиомаяков/радиобуев работает следующим образом.
Устройство имеет два режима:
- в рабочем режиме, при котором на вход ПЛИС 15 отсчеты сигнала на мультиплексор 22 подаются с выхода АЦП 2; и
- в тестовом режиме, при котором отсчеты сигнала на мультиплексор 22 подаются с имитатора сигнала 23.
Выбор источника входного сигнала осуществляется подачей на управляющий вход мультиплексора 22 команды «выбор источника сигнала» от конечного автомата управления 29.
А. Измерение технических параметров в рабочем режиме.
Измерение технических параметров радиомаяка/радиобуя производят отдельно на частоте 406 МГц и 121,5 МГц, для чего радиомаяк/радиобуй с помощью высокочастотного (ВЧ) кабеля через аттенюатор 1 подключают к высокочастотному разъему (ВЧ) «ВХОД», с которого радиосигнал поступает на вход смесителя 6. На второй вход этого смесителя 6 через коммутатор 7 поступают два гетеродинных сигнала: 404,8 и 120 МГц, сформированных высокостабильным 12,8 МГц кварцевым генератором 4.
Таким образом, в смесителе 6 спектр сигнала гетеродинируется (переносится) на промежуточную частоту ~1,5 МГц и поступает на фильтр низкой частоты (ФНЧ) 8. С первого выхода ФНЧ 8 аналоговый сигнал через буферный каскад 9 поступает на ВЧ разъем «Выход» 12 для контроля выделенного сигнала. Со второго выхода ФНЧ 8 аналоговый сигнал поступает на первый вход АЦП 2 для преобразования его в цифровую форму, на второй вход АЦП 2 поступает тактовая частота 10 МГц с выхода ПЛИС 15. На выходах АЦП 2 формируется цифровой 12-битовый сигнал промежуточной частоты, а также сигнал индикации переполнения на входе АЦП 2. С выхода 2 АЦП оцифрованный 12-битовый сигнал промежуточной частоты и сигнал индикации переполнения поступают на соответствующие входы ПЛИС 15.
Оцифрованный 12-битовый сигнал поступает через входные контакты ПЛИС 15 на первый многоразрядный вход мультиплексора 22, с выхода которого выбранный сигнал поступает на многоразрядный вход умножителя 24, в котором производится умножение принятого сигнала на косинусную Re и синусную Im составляющие частоты 10 МГц, поступающие на входы умножителя 24 с синтезатора 28. С входов умножителя 24 составляющие сигнала поступают на входы дециматора 25, где происходит дискретизация (прореживание) цифрового потока. С выхода дециматора 25 составляющие Re и Im, соответствующие новой частоте дискретизации, поступают на блок выделения амплитуды 26 и далее на компаратор 27, выход которого соединен с входом конечного автомата управления 29. Кроме того, с выхода дециматора 25 косинусная составляющая Re также подается на второй вход конечного автомата управления 29. В этом режиме работы ПМО ППЧ измеряет амплитуду огибающей принятого радиосигнала и, если измеренное значение превышает значение установленного порога обнаружения радиосигнала, то происходит запись оцифрованного сигнала во внутреннее ОЗУ 18. Одновременно с записью сигнала измеряется длительность превышения сигналом порога обнаружения.
Если длительность превышает 400 мс, то конечный автомат управления 29 выносит решение о продолжении приема аварийного сигнала.
После окончания записи конечный автомат управления 29 передает данные по двунаправленной шине USB 19 из внутреннего ОЗУ 18 в персональный компьютер 20 для дальнейшей обработки. После проведения измерений технических параметров радиосигнала и сохранения результатов измерения ПМО отправляет в конечный автомат управления 29 команду завершения режима работы. При этом на ЖК индикаторе 17 в левом нижнем углу отображается значение амплитуды огибающей радиосигнала. Блок ППЧ находится в состоянии ожидания команды управления.
Если порог обнаружения был выставлен слишком большим, то конечный автомат управления 29 сигнал не обнаружит.
В этом случае необходимо к разъему ВЫХОД подключить осциллограф и проконтролировать наличие сигнала промежуточной частоты и его амплитуду. Если значение превышения порога слишком велико, то его необходимо уменьшить и повторить режим измерения параметров радиомаяка/радиобуя.
Измерение технических параметров в рабочем режиме радиомаяка/радиобуя на частоте на частоте 121,5 МГц проводится также по команде от КПА-РМБ. Выделение спектра сигнала частоты 121,5 МГц и измерение амплитуды огибающей радиосигнала на частоте 121,5 МГц производится по той же методике, что и при измерении амплитуды на частоте 406 МГц. Если измеренное значение превышает значение установленного порога обнаружения, то начинается запись цифровых отсчетов сигнала во внутреннее ОЗУ 18. В этом режиме работы для записи отсчетов сигнала используется весь объем внутренней памяти.
По окончании измерения технических параметров радиосигнала и сохранения результатов измерений в ОЗУ 18 ПМО «SMC.EXE» посылает в конечный автомат управления 29 команду завершения режима работы. При этом на ЖК индикаторе 17 в левом нижнем отображается значение амплитуды огибающей 121,5 МГЦ.
По графику демодулированного сигнала в маркерном режиме проводятся измерения параметров модулирующего сигнала. После завершения режима работы КПА-РМБ переходит в режим ожидания.
Работа устройства в тестовом режиме.
В тестовом режиме входной сигнал формируется имитатором сигнала 23, с выхода которого многоразрядный сигнал поступает на второй многоразрядный вход мультиплексора 22 в виде 12-битового кода. Значение порога должно быть задано таким, чтобы сигнал амплитуды всегда превышал установленное значение порога.
Дальнейшая обработка принятого цифрового сигнала осуществляется ПМО («SМС.ЕХЕ») в соответствии с фиг.2, как описано выше в разделе «Измерение технических параметров радиомаяка/радиобуя в рабочем режиме».
Достоинством данного изобретения является создание современного малогабаритного переносного устройства, позволяющего с высокими быстродействием, точностью и надежностью измерить технические характеристики радиосигналов. Кроме того, оно удобно в эксплуатации за счет возможности визуального просмотра измеряемых параметров.
Устройство может быть использовано предприятием-изготовителем при проведении испытаний выпускаемых радиомаяков и радиобуев, а также специалистами эксплуатирующей организации по техническому обслуживанию и регламенту воздушных судов для проведения периодической проверки в объеме требований системы КОСПАС-САРСАТ работоспособности радиомаяков/радиобуев, установленных на воздушных судах, без отправки этих изделий предприятию-изготовителю для периодических проверок.