ПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО
RECEPTION DEVICE

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в качестве приемного устройства в системах подвижной радиосвязи с быстрой перестройкой частоты.
Известно приемное устройство, построенное по классической схеме супергетеродинного радиоприемника с однократным преобразованием частоты входного сигнала в промежуточную частоту (см. Головин О.В. Радиоприемные устройства. Высш. Шк., 1997 г., стр.9, рис.1.6; И. Озеров. УКВ-приемник. ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 4/2002, стр.25, рис.2).
ПЧ
C
Г
ПЧ
Г
C
В этом устройстве сигнал с антенны попадает в высокочастотный тракт (В Ч), включающий преселектор (входной полосовой фильтр и усилитель высокой частоты - УВЧ), а также гетеродин со смесителем. После смесителя входной сигнал преобразуется в промежуточную частоту F, которая фильтруется, усиливается в усилителе промежуточной частоты (УПЧ) и поступает на вход детекторного устройства. Настройка на частоту радиостанции F происходит посредством одновременного изменения частоты гетеродина F и LC-контуров преселектора. Обычно промежуточная частота F формируется как разностная между частотой гетеродина F и частотой принимаемого сигнала F
ПЧ
Г
C
F=F-F.
Достоинство такого способа построения приемного устройства в том, что постоянное значение промежуточной частоты после смесителя позволяет применить сложные резонансные системы в каскадах УПЧ и получить основное усиление приемника (чувствительность) и избирательность по соседнему каналу.
Недостаток состоит в том, что в такой схеме необходимо принимать особые меры по подавлению сигнала в так называемом зеркальном канале приема.
C
З
Г
ПЧ
З
Г
З
Зеркальный (симметричный) канал приема получается из-за того, что процесс преобразования частоты происходит с одинаковой эффективностью как для принимаемого сигнала F, так и для зеркального сигнала F (помехи), расположенного симметрично относительно частоты гетеродина F. При этом та же промежуточная частота формируется как F=F-F. Подавлять сигнал F в зеркальном канале необходимо в преселекторе, до смесителя (преобразователя частоты), а это представляет собой значительные трудности при сложной электромагнитной обстановке и при высоких требованиях к профессиональной радиоаппаратуре, например, в системах подвижной радиосвязи. Кроме того, в такой схеме чувствительность и избирательность по соседнему каналу приемного устройства в ряде случаев может быть недостаточной.
Таким образом, недостаток известного устройства состоит в ограниченной избирательности и чувствительности.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является приемное устройство с двойным преобразованием частоты (см. патент на полезную модель №52548 от 28.09.2005 г.), которое принято за прототип.
Блок-схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где введены следующие обозначения:
1 - коммутатор;
2 - фильтр верхних частот (ФВЧ);
3 - фильтр нижних частот (ФНЧ);
4 - преселектор;
5 - аттенюатор;
6 - первый преобразователь частоты (ПЧ);
7 - первый усилитель промежуточной частоты (УПЧ);
8 - второй преобразователь частоты (ПЧ);
9 - второй усилитель промежуточной частоты (УПЧ);
10 - первый гетеродин;
11 - второй гетеродин;
12 - опорный генератор (ОГ);
17 - блок управления (БУ);
18 - шина управления.
Приемное устройство-прототип содержит последовательно соединенные коммутатор 1, фильтр верхних частот ФВЧ 2, фильтр нижних частот ФНЧ 3, преселектор 4, аттенюатор 5, первый преобразователь частоты ПЧ 6, первый усилитель промежуточной частоты УПЧ 7, второй преобразователь частоты ПЧ 8, второй усилитель промежуточной частоты УПЧ 9, выход которого является выходом устройства, а также первый гетеродин 10, второй гетеродин 11, ОГ 12, БУ 17 и шину управления 18. При этом выход первого гетеродина 10 соединен со вторым входом первого ПЧ 6, выход второго гетеродина 11 соединен со вторым входом второго ПЧ 8, первый выход опорного генератора ОГ 12 соединен со вторым входом коммутатора 1, на первый вход которого поступает принимаемый сигнал, два других выхода опорного генератора ОГ 12 соединены с соответствующими входами первого гетеродина 10 и второго гетеродина 11, а блок управления БУ 17 через шину управления 18 соединен с управляющими входами коммутатора 1, преселектора 4, аттенюатора 5 и первого гетеродина 10.
Устройство-прототип работает следующим образом.
C
RO
Г1
ПЧ1
ПЧ1
Г2
ПЧ2
По сигналу управления от БУ 17 через коммутатор 1 проходит или принимаемый сигнал F или опорный сигнал F от ОГ 12. С выхода коммутатора 1 соответствующий сигнал проходит через последовательно соединенные ФВЧ 2 и ФНЧ 3, т.е. в сущности через полосовой фильтр на сигнальный вход преселектора 4. Перестройка резонансных LC-контуров преселектора 4 по частоте происходит по сигналу управления, поступающему на управляющий вход преселектора 4 от БУ 17 по шине управления 18. С выхода преселектора 4 сигнал через управляемый от БУ 17 аттенюатор 5 поступает на сигнальный (первый) вход первого преобразователя частоты ПЧ 6, на гетеродинный (второй) вход которого поступает переключаемый по частоте сигнал F от первого гетеродина 10. Переключение частот первого гетеродина 10 происходит по команде от БУ 17, поступающей по шине управления 18. На выходе первого преобразователя частоты ПЧ 6 выделяется сигнал первой промежуточной частоты F, который поступает на вход первого усилителя промежуточной частоты УПЧ 7, где происходит соответствующее его усиление и фильтрация в заданной полосе частот. С выхода первого усилителя промежуточной частоты УПЧ 7 усиленный и отфильтрованный сигнал с частотой F поступает на сигнальный (первый) вход второго преобразователя частоты ПЧ 8, на гетеродинный (второй) вход которого поступает сигнал фиксированной частоты F с выхода второго гетеродина 11. В результате на выходе второго преобразователя частоты ПЧ 8 формируется сигнал второй промежуточной частоты F, который поступает на вход второго усилителя промежуточной частоты УПЧ 9, где происходит окончательное усиление и фильтрация в необходимой полосе частот.
Достоинство приемного устройства-прототипа с двойным преобразованием частоты состоит в следующем. Перераспределение усиления и фильтрации сигнала по двум трактам ПЧ с разными значениями промежуточных частот позволяет получить более высокое и устойчивое усиление (т.е. повысить чувствительность), и высокую избирательность по соседнему каналу, что особенно важно для профессиональной радиоаппаратуры систем подвижной радиосвязи и в сложной электромагнитной обстановке, когда на небольшой площади сосредоточено значительное число радиостанций. Недостаток известного устройства состоит в следующем.
В настоящее время в различных системах радиосвязи, в том числе и в системах подвижной радиосвязи для повышения помехоустойчивости и скрытности передаваемой информации, все шире используется быстрая перестройка частоты по заданной программе. Это обеспечивается за счет быстрой перестройки частоты синтезаторов частот в передающем и приемном устройствах (см., например, а.с. СССР №1510080 от 23.09.1989 г., патент на ПМ №63996 от 29.12.2006 г.). Требования к скорости переключения частот непрерывно растут, и до последнего времени считалось («по умолчанию»), что быстродействие, например, в системах подвижной радиосвязи полностью зависит только от скорости переключения частот синтезатора, а время установления номинального значения частоты в тракте первой ПЧ радиоприемника после переключения частот синтезатора-гетеродина (время затухания переходного процесса в тракте первой ПЧ после смесителя) не принималось во внимание. Считалось, что это время очень мало («почти мгновенно»). Такое утверждение до последнего времени можно было считать в некоторой степени приемлемым только для приемных устройств с широкополосным трактом первой ПЧ. Причем чем шире полоса пропускания тракта первой ПЧ, тем быстрее происходит в нем окончание переходного процесса после переключения частот. Однако специфика систем подвижной радиосвязи состоит в том, что соседние рабочие каналы в этих радиостанциях отстоят на заданный шаг 25 кГц или 12,5 кГц. Для получения высокой избирательности по соседнему каналу в тракте первой ПЧ используются высокодобротные кварцевые фильтры с узкой полосой пропускания порядка 15-17 кГц, т.е. тракт первой ПЧ является узкополосным.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что при разном времени переключения частот синтезатора (гетеродина) время установления номинальной частоты в тракте первой ПЧ оставалось примерно на одном уровне. Это время установления понимается как окончание переходного затухающего колебания до заданной полосы частот (например, до полосы не более 0,5 кГц или 1 кГц), когда отклонение значения первой ПЧ принимаемого сигнала от номинального значения настолько мало, что это не приводит к потере принимаемой информации. Например, если время переключения частот синтезатора на основе системы импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) порядка 50-100 микросекунд, то время установления частоты в тракте первой ПЧ остается на уровне 250-300 микросекунд. Это ограничивает возможность уменьшения общего времени переключения в системе синтезатор-приемник. Уменьшить время переходного процесса в тракте первой ПЧ можно только за счет резкого увеличения полосы пропускания тракта первой ПЧ (например, с 15 кГц до 300 кГц). Но это приведет к значительному ухудшению избирательности приемного устройства.
В последнее время в системах радиосвязи в основном применяются синтезаторы частот, переключение частот на выходе которых осуществляется по сигналам, поступающим от микроконтроллера по специальной шине управления. Управляющая шина с выхода микроконтроллера представляет собой стандартный трехпроводный интерфейс, где по трем проводам поступают в последовательном коде импульсные сигналы: 1) тактовые импульсы (ТИ); 2) информационный сигнал (ИНФ); 3) импульс разрешения записи передаваемой информации в один из блоков синтезаторов частот, а также в схему управления перестройки LC-контуров преселектора. Причем для всех блоков общими проводами являются ТИ и ИНФ, а импульс разрешения прохождения информации поступает по каждому отдельному проводу в каждый управляемый блок. Поэтому в настоящее время говорить о гетеродинах (т.е. плавно изменяемых по частоте генераторах), управляемых по шине управления, не совсем корректно. Особенно это относится к вопросу о сверхбыстродействующих системах радиосвязи. В связи с этим в предлагаемом устройстве вместо названия гетеродины будут использоваться синтезаторы частот, а вместо блока управления - микроконтроллер, применяемый в подавляющем большинстве случаев. Это в основном соответствует функциональному назначению указанных блоков в устройстве-прототипе.
Таким образом, недостатком устройства-прототипа является низкое быстродействие при приеме быстропереключаемых входных частот.
Для устранения указанного недостатка в устройство, содержащее преселектор, первый преобразователь частоты, последовательно соединенные узкополосный усилитель первой промежуточной частоты, второй преобразователь частоты, усилитель второй промежуточной частоты, выход которого является выходом устройства, а также первый синтезатор частот, выход которого соединен со вторым входом первого преобразователя частоты, второй синтезатор частот, выход которого соединен со вторым входом второго преобразователя частоты, опорный генератор, выход которого соединен с соответствующими входами первого и второго синтезаторов частот, и блок управления, шина управления с первого выхода которого соединена с управляющими входами преселектора и первого синтезатора частот, введены последовательно соединенные широкополосный усилитель первой промежуточной частоты и ключ, выход которого соединен с входом узкополосного усилителя первой промежуточной частоты, а вход широкополосного усилителя первой промежуточной частоты соединен с выходом первого преобразователя частоты, вход которого соединен с выходом преселектора, на сигнальный вход которого поступает принимаемый сигнал, при этом блок управления выполнен в виде микроконтроллера, второй выход которого соединен с управляющим входом ключа, причем микроконтроллер формирует на втором выходе сигнал, закрывающий ключ на время установления в широкополосном тракте первой промежуточной частоты с момента начала переключения частоты в первом синтезаторе частот, выходная частота которого выбрана значительно выше частоты принимаемого сигнала, а по первому выходу микроконтроллер по управляющей шине соединен, кроме того, с управляющим входом второго синтезатора частот.
Блок-схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2, где введены следующие обозначения:
4 - преселектор;
6 - первый преобразователь частоты (ПЧ);
7 - первый усилитель промежуточный частоты (УПЧ);
8 - второй преобразователь частоты (ПЧ);
9 - второй усилитель промежуточной частоты (УПЧ);
10 - первый синтезатор частот (СЧ);
11 - второй синтезатор частот (СЧ);
12 - опорный генератор (ОГ);
13 - микроконтроллер (МК);
14 - шина управления;
15 - широкополосный первый усилитель промежуточной частоты (Ш1УПЧ);
16 - ключ.
Полоса пропускания широкополосного усилителя первой промежуточной частоты (Ш1УПЧ) примерно на порядок больше полосы пропускания узкополосного усилителя первой промежуточной частоты (УУ1ПЧ), который предназначен для осуществления заданной избирательности в тракте первой промежуточной частоты.
Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные преселектор 4, первый преобразователь частоты ПЧ 6, широкополосный усилитель первой промежуточной частоты Ш1УПЧ 15, ключ 16, узкополосный усилитель первой промежуточной частоты УУ1ПЧ 7, второй преобразователь частоты ПЧ 8, усилитель второй промежуточной частоты У2ПЧ 9, выход которого является одновременно выходом устройства, а также первый синтезатор частот СЧ 10, второй синтезатор частот СЧ 11, опорный генератор ОГ 12, микроконтроллер МК 13 и исходящая от него управляющая шина 14. При этом выход первого синтезатора СЧ 10 соединен со вторым (гетеродинным) входом первого преобразователя частоты ПЧ 6, выход второго синтезатора частот СЧ 11 соединен со вторым (гетеродинным) входом второго преобразователя частоты ПЧ 8, выход ОГ 12 соединен с соответствующими входами СЧ 10 и СЧ 11, принимаемый сигнал поступает на сигнальный вход преселектора 4, шина управления 14 с первого выхода МК 13 соединена с управляющими входами преселектора 4, первого СЧ 10 и второго СЧ 11, а второй выход микроконтроллера 13 соединен с управляющим входом ключа 16.
ПЧ
СЧ
ПЧ
СЧ
P
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Принимаемый сигнал с антенны поступает на вход преселектора 4, где происходит усиление и предварительная частотная селекция. Резонансные LC-контуры преселектора 4 перестраиваются по частоте одновременно с переключением частот первого синтезатора СЧ 10. С выхода преселектора 4 предварительно отфильтрованное по частоте напряжение поступает на сигнальный (первый) вход первого преобразователя частоты ПЧ 6, на второй (гетеродинный) вход которого приходит соответствующий сигнал с выхода первого синтезатора частот СЧ 10. В результате на выходе первого ПЧ 6 формируется сигнал первой промежуточной частоты, который поступает на вход широкополосного усилителя первой промежуточной частоты Ш1УПЧ 15, ширина полосы пропускания которого выбирается такой, чтобы время окончания переходного процесса t в этом тракте до заданного уровня (например, до 1 кГц) после переключения частоты первого синтезатора СЧ 10 в сумме с временем переключения t самого синтезатора СЧ 10 было не больше требуемого минимального времени tp переключения частот в радиостанции t+t≤t. Для этого можно использовать, например, фильтры ПЧ на поверхностных акустических волнах (ПАВ). При этом выбирается высокая частота ПЧ, что одновременно исключает проблему зеркального канала.
Для решения проблемы подавления помех по зеркальному каналу частота первого гетеродина может выбираться значительно выше частоты принимаемого сигнала. В результате на выходе первой ПЧ формируется высокое значение первой промежуточной частоты. Эта схемотехническая проблема, вполне решаемая при современной элементной базе. Таким образом, зеркальный канал оказывается очень далеко от рабочего, и проблем с его подавлением входным фильтром не возникает (см., например, И.Озеров. УКВ-приемник. ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 4/2002, стр.28, рис.7).
СЧ
P
ПЧ
ПЧ
ПЧ
ПЧ1
ПЧ1
ПЧ1
ПЧ2
Выбор времени установления переходного процесса в тракте первой ПЧ можно пояснить на следующем примере. Пусть время переключения синтезатора частот t=70 мкс, время переключения частоты в радиостанции t≤150 мкс. Тогда время установления в широкополосном тракте первой ПЧ должно быть не более t≤150-70=80 мкс. На это время t ключ 16 с согласованным импедансом по входу и выходу закрыт по сигналу управления от МК 13 и не пропускает сигнал первой ПЧ на вход узкополосного усилителя первой промежуточной частоты УУ1ПЧ 7. После окончания времени t ключ 16 по сигналу управления от МК 13 открывается и уже установившийся сигнал с частотой F проходит на вход узкополосного усилителя первой промежуточной частоты УУ1ПЧ 7, где происходит более точная фильтрация и усиление сигнала с частотой F с помощью системы высокодобротных узкополосных фильтров (например, два или три последовательно включенных кварцевых фильтра). С выхода УУ1ПЧ 7 усиленное и отфильтрованное напряжение с частотой F поступает на первый (сигнальный) вход второго преобразователя частоты ПЧ 8, на второй (гетеродинный) вход которого поступает соответствующий сигнал с выхода второго синтезатора СЧ 11. В результате на выходе второго ПЧ 8 формируется напряжение с частотой F, которое поступает на вход усилителя второй промежуточной частоты УПЧ 9, где осуществляется заданная избирательность приемника по соседнему каналу (с помощью, например, высокодобротных керамических фильтров ПЧ), усиление этого сигнала до ограничения с целью подавления паразитной амплитудной модуляции и доведения его на выходе до уровня, необходимого для нормальной работы последующего частотного детектора.
В отличие от устройства-прототипа в предложенном устройстве управление вторым синтезатором СЧ 11 от МК 13 обязательно и осуществляется также по шине управления 14.
Характерным отличием предлагаемого устройства является введение требования быстродействия приемника, которое является очень важным для современных систем радиосвязи с быстрой перестройкой частоты по заданной программе. В предлагаемом устройстве за счет введения новых блоков и в связи с другими блоками решена задача повышения быстродействия приемника путем отключения узкополосного тракта первой ПЧ от широкополосного в переходном режиме после переключения частоты и включения узкополосного тракта после окончания переходного процесса в широкополосном тракте первой ПЧ и установления в нем номинального значения первой ПЧ. В этом случае с использованием ключа с согласованным импедансом по входу и выходу переходных колебаний и потери информации в узкополосном тракте первой ПЧ уже не будет.
Возможность осуществления предлагаемого приемного устройства определяется тем, что вводимые блоки типовые и могут быть выполнены на широко известной элементной базе. Широкополосный тракт первой промежуточной частоты может быть выполнен на основе фильтров ПЧ на поверхностных акустических волнах, например, типа АЕС 1570 АН - 320 фирмы НТМ. Высокочастотный ключ может быть выполнен на основе микросхемы ADG701 фирмы Analog Devices. В качестве синтезаторов частот могут использоваться быстродействующие цифровые синтезаторы частот (ЦСЧ) на основе системы ИФАПЧ (см., например, патент на ПМ №56747 от 17.04.06 г.). Цифровая часть синтезаторов выполняется на микросхемах ЦСЧ с ИФАПЧ разных фирм. Например, микросхемы LMX2352 фирмы National Semiconductor или ADF4001, ADF4252 фирмы Analog Devices. Микроконтроллер типа C8051F220 фирмы SILABS (CYGNAL) используется для управления соответствующими блоками приемного устройства.
Таким образом, в предлагаемом приемном устройстве можно получить высокое быстродействие при переключении принимаемых частот одновременно с высокой избирательностью по зеркальному каналу, по соседнему каналу и высокой чувствительности, что позволяет его использовать в перспективных системах радиосвязи с быстрой перестройкой частоты.