РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ С ФАЗОВОЙ МАНИПУЛЯЦИЕЙ
RADIO RECEIVER FOR DETECTING PHASE-SHIFT KEYED BROADBAND SIGNALS

Предлагаемое устройство относится к радиотехнике и может быть использовано в аппаратуре, предназначенной для приема и анализа фазоманипулированных (ФМн) сигналов с бинарным значением фазы.
Известны радиоприемные устройства для обнаружения сигналов на фоне шумов и помех (авт. свид. СССР №№211.599, 309.326, 540.230, 1.718.695, 1.758.883, 1.785.410, 1.799.226, 1.799.227, 1.840.539, 1.840.708; патенты РФ №№2.001.533, 2.007.046, 2.181.528, 2.196.395, 2.379.837, 2.479.120; патенты США №№3.702.475, 3.815.028, 3.510.313, 7.742.914; патент EP №1.947.642; Сабинов В.А. Цифровое устройство для обнаружения и грубого измерения частоты сигнала. - Труды МАИ, 1970, вып. 201 и другие).
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Радиоприемное устройство для обнаружения широкополосных сигналов с фазовой манипуляцией» (патент РФ №2.479.120, H03K 7/00, 2011), которое и выбрано в качестве прототипа.
Г1
Г2
Известное устройство обеспечивает обнаружение широкополосных сигналов с фазовой манипуляцией на фоне шумов и узкополосных помех. Оно построено по супергетеродинной схеме, в которой существуют дополнительные (зеркальные и комбинационные) каналы приема. Подавление ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальным и комбинационным каналам, основано на использовании двух гетеродинов 15 и 16, частоты f и f которых разнесены на удвоенное значение промежуточной частоты
Г2
Г1
пр
f-f=2f
c
и выбраны симметричными относительно частоты f основного канала приема, (фиг.2):
С
Г1
Г2
С
пр.
f-f=f-f=f
Это обстоятельство приводит к удвоению числа дополнительных каналов приема, но создает благоприятные условия для их подавления за счет корреляционной обработки канальных напряжений.
Однако под воздействием различных дестабилизирующих факторов, в том числе и эффекта Доплера, когда источник излучения ФМн-сигналов и радиоприемное устройство взаимно перемещаются, указанная симметричность нарушается и снижается помехоустойчивость и достоверность обнаружения широкополосных сигналов с фазовой манипуляцией.
Г1
Г2
С
Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и достоверности обнаружения широкополосных сигналов с фазовой манипуляцией путем обеспечения симметричности частот f и f первого и второго гетеродинов относительно частоты f основного канала приема
С
Г1
Г2
С
пр.
f-f=f-f=f.
Г1
Г2
Поставленная задача решается тем, что радиоприемное устройство для обнаружения широкополосных сигналов с фазовой манипуляцией, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, последовательно включенные преселектор и преобразователь частоты, n каналов нелинейной обработки, каждый из которых состоит из последовательно включенных нелинейного элемента, узкополосного фильтра и ключа, а также двух полосовых фильтров, выходы которых подключены к входам нелинейного элемента, при этом выход узкополосного фильтра через детектор огибающей соединен с одной из входов решающего блока, соответствующий выход которого подключен к управляющему входу ключа, выходы ключей подключены к входам сумматора, выход которого соединен с входом блока регистрации, преобразователь частоты выполнен в виде последовательно включенных первого гетеродина, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом преселектора, первого усилителя промежуточной частоты, коррелятора, порогового блока и ключа, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, а выход подключен к входам полосовых фильтров, последовательно включенных второго гетеродина, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом преселектора и второго усилителя промежуточной частоты, выход которого соединен с вторым входом коррелятора, при этом частоты f и f первого и второго гетеродинов разнесены на удвоенное значение промежуточной частоты
Г2
Г1
пр
f-f=2f
С
и выбраны симметричными относительно несущей частоты f основного канала приема
С
Г1
Г2
С
пр.
f-f=f-f=f,
отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено перемножителем, двумя узкополосными фильтрами, удвоителем фазы, фазовым детектором и инверсным усилителем, причем к выходу первого гетеродина последовательно подключены перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, первый узкополосный фильтр, фазовый детектор и инверсный усилитель, два выхода которого соединены с выходами первого и второго гетеродинов соответственно, к выходу ключа преобразователя частоты последовательно подключены удвоитель фазы и второй узкополосный фильтр, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора.
Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1. Частотная диаграмма, поясняющая принцип образования дополнительных каналов приема, изображена на фиг.2.
Радиоприемное устройство для обнаружения широкополосных сигналов с фазовой манипуляцией содержит последовательно включенные преселектор 1, преобразователь 2 частоты и n каналов нелинейной обработки, каждый из которых состоит из последовательно соединенных нелинейного элемента 6.i, узкополосного фильтра 7.i и ключа 9.i, а также двух полосовых фильтров 4.i и 5.i, выходы которых подключены к входам нелинейного элемента 6.i, причем выход узкополосного фильтра 7.i через детектор 8.i огибающей соединен с одним из входов решающего блока 10, соответствующий выход которого подключен к управляющему входу ключа 9.i, выходы ключей 9.i подключены к выходам сумматора 11, выход которого соединен с входом блока 12 регистрации (i=1, 2, …, n).
Преобразователь 2 частоты выполнен в виде последовательно включенных первого гетеродина 15, первого смесителя 13, второй вход которого соединен с выходом преселектора 1, первого усилителя 3 промежуточной частоты, коррелятора 18, порогового блока 19 и ключа 20, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя 3 промежуточной частоты, а выход подключен к полосовым фильтрам 4.i и 5.i, последовательно включенных второго гетеродина 16, второго смесителя 14, второй вход которого соединен со выходом преселектора 1, и второго усилителя 17 промежуточной частоты, выход которого соединен с вторым входом коррелятора 18, последовательно подключенных к выходу первого гетеродина 15 перемножителя 21, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 16, первого узкополосного фильтра 22, фазового детектора 25 и инверсного усилителя 26, два выхода которого соединен с входами первого 15 и второго 16 гетеродинов соответственно, последовательно подключенных к выходу ключа 20 преобразователя 2 частоты удвоителя 23 фазы и второго узкополосного фильтра 24, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора 25.
C
Устройство работает следующим образом. Если широкополосный ФМн-сигнал принимается по основному каналу на частоте f
C
C
C
k
С
C
u(t)=Ucos[2πft+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
k
где φ(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции,
то он с выхода преселектора 1 поступает на первый вход первого 13 и второго 14 смесителей, на второй вход которых подается напряжение первого 15 и второго 16 гетеродинов соответственно
Г1
Г1
Г1
Г1
u(t)=Ucos(2πft+φ),
Г2
Г1
Г2
Г2
u(t)=Ucos(2πft+φ).
Г1
Г2
При этом частоты f и f разнесены на удвоенное значение промежуточной частоты (фиг.2)
Г2
Г1
пр
f-f=2f
С
и выбраны симметричными относительно частоты f основного канала приема
С
Г1
Г2
С
пр.
f-f=f-f=f.
Это обстоятельство приводит к удвоению числа дополнительных каналов приема, но создает благоприятные условия для их подавления за счет корреляционной обработки канальных напряжений.
На выходе смесителей 13 и 14 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 3 и 7 промежуточной частоты выделяются напряжения промежуточной частоты:
пр1
пр1
пр
k
пр1
u(t)=Ucos[2πft+φ(t)+φ],
пр2
пр2
пр
k
пр2
С
u(t)=Ucos[2πft-φ(t)+φ], 0≤t≤T
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>U</mi><mi>С</mi></msub><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Г</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
где
;
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>U</mi><mi>С</mi></msub><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Г</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow>
;
пр
С
Г1
Г2
С
f=f-f=f-f - промежуточная частота;
пр1
С
Г1
пр2
Г2
С
φ=φ-φ; φ=φ-φ,
которые поступают на два входа коррелятора 18, на выходе которого образуется напряжение, пропорциональное корреляционной функции R(τ).
пор1
пор1
пр1
пр2
С
С
пор1
пор1
Следует отметить, что корреляционная функция R(τ) ФМн-сигналов обладает замечательным свойством: она имеет значительный главный лепесток и сравнительно низкий уровень боковых лепестков. Это свойство используется для подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальным и комбинационным каналам. Напряжение, пропорциональное корреляционной функции R(τ), сравнивается с пороговым уровнем U в пороговом блоке 19. Пороговое напряжение U превышается только при максимальном значении корреляционной функции R(τ). Так как корреляционные напряжения u(t) и u(t) образуются одним и тем же ФМн-сигналом u(t), принимаемым по двум каналам на одной и той же частоте f, то между указанными канальными напряжениями существует сильная корреляционная связь. Корреляционная функция R(τ) имеет ярко выраженный главный лепесток, который превышает пороговый уровень U в пороговом блоке 19. При превышении порогового уровня U в пороговом блоке 19 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 20, открывая его.
пр1
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>f</mi><mi>J</mi></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><mi>f</mi><mo>≥</mo><mi>Δ</mi><mi>F</mi></mrow></mfrac></mrow>
В исходном состоянии ключ 20 всегда закрыт. При этом канальное напряжение промежуточной частоты u(t) с выхода первого усилителя 3 промежуточной частоты через открытый ключ 20 поступает на n каналов нелинейной обработки. В каждом i-м канале параллельно включены два полосовых фильтра 4.i и 5.i, имеющие полосу пропускания ΔF. Их центральные частоты расположены симметрично относительно центральной частоты
полосы обработки и равны
<mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>f</mi><mi>о</mi></msub><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>i</mi><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>Δ</mi><mi>f</mi></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
<mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>f</mi><mi>о</mi></msub><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>i</mi><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>Δ</mi><mi>f</mi></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
и
,
o
где выходные сигналы полосовых фильтров перемножителя в нелинейном элементе 6.i и фильтруются в узкополосном фильтре 7i, частота настройки которого равна 2f.
o
Выходные сигналы узкополосных фильтров 7i суммируются в сумматоре 11, в результате чего образуется вторая гармоника сигнала, частота несущей которого равна f. Вторая гармоника сигнала фиксируется блоком 12 регистрации.
Канал, в который попадает мощная узкополосная помеха (результат перемножения двух узкополосных помех), отключается решающим блоком 10 от сумматора 11. В решающем блоке 10 наличие помехи определяется по значительному превышению уровня сигнала в канале среднего по каналам уровня.
пор1
пор2
С выходов узкополосных фильтров 7.i сигналы через ключи 9.i (i=1, 2, …, n) подаются на входы сумматора 11, с выхода которого сумма сигналов поступает в блок 12 регистрации, где ее уровень сравнивается с порогом U. При превышении порога U фиксируется обнаружение сигнала.
С выходов узкополосных фильтров 7.i сигналы подаются также на детекторы 8.i огибающей, в которых выделяются огибающие сигналов, подаваемых на входы решающего блока 10. В решающем блоке 10 сравниваются уровни сигналов всех n каналов и для каналов, в которых уровни сигналов значительно превышают средний по каналам уровень, вырабатывается управляющий сигнал, подаваемый на ключи 9.i (i=1, 2, …, n) этих каналов, вследствие чего ключи размыкаются и соответствующие каналы отключаются от сумматора 11.
Количественный выигрыш в помехоустойчивости существенно зависит от уровня и количества помеховых составляющих.
Для обеспечения симметричности
С
Г1
Г2
С
пр.
f-f=f-f=f
используется система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), состоящая из перемножителя 21, первого узкополосного фильтра 22, удвоителя 23 фазы, второго узкополосного фильтра 24, фазового детектора 25 и инверсного усилителя 26.
Г1
Г2
Напряжения u(t) и u(t) с выходов первого 15 и второго 16 гетеродинов поступают на два входа первого перемножителя 21, на выходе которого образуется гармоническое напряжение
1
1
Г2
Г1
Г
1
пр
пр
С
u(t)=Ucos[2π(f-f+φ]=Ucos(4πft+2φ), 0≤t≤T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Г</mi><mn>1</mn></mrow></msub><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Г</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow>
где
;
Г2
Г1
пр
f-f=2f;
U
Г2
Г1
пp
φ=φ-φ=2φ,
пр1
которое выделяется первым узкополосным фильтром 22 и поступает на первый вход фазового детектора 25. Напряжение u(t) с выхода первого усилителя 3 промежуточной частоты через открытый ключ 20 подается на вход удвоителя 23 фазы, на выходе которого образуется гармоническое напряжение
2
2
пр
k
пр1
2
пр
пр1
С
u(t)=Ucos[4πft+2φ(t)+2φ]=Ucos(4πft+φ), 0≤t≤T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mn>2</mn><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
где
;
л
2φ(t)={0,2π},
которое выделяется вторым узкополосным фильтром 24 и поступает на второй вход фазового детектора 25.
С
Г1
Г2
Если нарушается указанная симметрия, то на выходе фазового детектора 25 формируется управляющее напряжение. Причем амплитуда и полярность управляющего напряжения зависят от степени и направления отклонения несущей частоты f от частот f и f первого 15 и второго 16 гетеродинов. Указанное напряжение через инверсный усилитель 26 воздействует на управляющие входы первого 15 и второго 16 гетеродинов так, чтобы выполнялось условие симметрии
С
Г1
Г2
С
пр.
f-f=f-f=f
С
Описанная выше работа устройства соответствует случаю приема полезных ФМн-сигналов по основному каналу на частоте f (фиг.2).
З1
Если сложный сигнал (помеха) принимается по первому зеркальному каналу на частоте f, то в первом 13 и втором 14 смесителях он преобразуется в напряжения следующих частот:
11
Г1
З1
пр
12
Г2
З1
пр
f=f-f=f; f=f-f-f.
11
З1
Однако только напряжение с частотой f попадает в полосу пропускания первого усилителя 3 промежуточной частоты. Выходной сигнал коррелятора 18 равен нулю, ключ 20 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому зеркальному каналу на частоте f, подавляется.
З2
Если ложный сигнал (помеха) принимается по второму зеркальному каналу на частоте f, то в первом 13 и втором 14 смесителях он преобразуется в напряжения следующих частот:
21
З2
Г1
пр
22
З2
Г2
пр.
f=f-f=3f, f=f-f=f
22
З2
Однако только напряжение с частотой f попадают в полосу пропускания второго усилителя 17 промежуточной частоты, выходной сигнал коррелятора 18 также равен нулю, ключ 20 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму зеркальному каналу на частоте f, подавляется.
к1
к2
По аналогичной причине подавляется и ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому комбинационному каналу на частоте f, по второму комбинационному каналу на частоте f или по любому другому дополнительному каналу.
З1
З2
Если ложные сигналы (помехи) одновременно принимаются по первому f и второму f зеркальным каналам, то в первом 13 и втором 14 смесителях они преобразуются в напряжения следующих частот:
11
Г1
З1
пр
12
Г2
З1
пр
f=f-f=f; f=f-f-f.
21
З2
Г1
пр
22
З2
Г2
пр.
f=f-f=3f, f=f-f=f
11
22
З1
З2
11
22
При этом напряжение с частотами f и f попадают в полосу пропускания первого 3 и второго 17 усилителей промежуточной частоты, а затем подаются на два входа коррелятора 18. Но ключ 20 в этом случае не открывается. Это объясняется тем, что разные ложные сигналы (помехи) принимаются на разных частотах f и f, поэтому между канальными напряжениями с частотами f и f существует слабая корреляционная связь.
пор1
З1
З2
Кроме того, следует отметить, что корреляционная функция помех не имеет ярко выраженного главного лепестка, как это имеет место у сложных ФМн-сигналов. Выходное напряжение коррелятора 18 в этом случае не превышает первого уровня U в пороговом блоке 19, ключ 20 не открывается и ложные сигналы (помехи), принимаемые одновременно по первому f и второму f зеркальным каналам, подавляются.
11
22
По аналогичной причине подавляются и ложные сигналы (помехи), принимаемые одновременно по первому комбинационному каналу на частоте f и второму комбинационному каналу на частоте f, или по другим любым дополнительным каналам.
Г1
Г2
C
С
Г1
Г2
С
пp.
Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает повышение помехоустойчивости и достоверности обнаружения широкополосных сигналов с фазовой манипуляцией. Это достигается путем обеспечения симметричности частот f и f первого и второго гетеродинов относительно частоты f основного канала приема f-f=f-f=f за счет использования системы фазовой автоподстройки частоты.