Сверхвысокочастотное приемо-передающее устройство
SUPERHIGH-FREQUENCY RECEIVE/TRANSMIT DEVICE

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в измерительной технике, в устройствах средств связи, радиотехнической разведки, радиоэлектронного противодействия, а также в сложных радиотехнических устройствах для увеличения динамического уровня входных сигналов и расширения диапазона рабочих частот.
Известно приемо-передающее устройство для ретрансляции радиосигналов, описание которого приведено в книге Вакин С.А., Шустов Л.Н. «Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки». М.: Советское радио, 1968 г., содержащее приемную антенну, приемно-усилительный блок, приемо-передающий блок с модулятором и входную антенну. Ретранслятор состоит из приемного и передающего каналов - один приемо-передающий канал. Приемный канал содержит: последовательно соединенную приемную антенну и приемно-усилительный блок. Передающий канал соединен последовательно с приемным каналом и содержит передающий блок с модулятором и передающей антенной, соединенными последовательно.
Принимаемый приемной антенной сигнал поступает в усилительное устройство, где обрабатывается, усиливается, после чего поступает в приемо-передающий блок, осуществляющий усиление и модуляцию сигнала, и далее излучается с помощью передающей антенны.
Недостатком аналога является узкая ширина полосы рабочих частот. Основной причиной ограничения мгновенной полосы рабочих частот является одноканальное исполнение преобразователя частоты. Расширение полосы одноканального преобразователя ведет к повышению среднеквадратического уровня шума и тем самым к сокращению динамического диапазона входного сигнала, т.к. среднеквадратическая граница уровня шума является нижней границей динамического диапазона уровня входного сигнала. Его верхней границей является уровень, на котором дифференциальное усиление входного сигнала уменьшается на 1 дБ (под редакцией М. Сколника, «Справочник по радиолокации», т. 3, глава 2.4, стр. 142. Москва: Сов. радио, 1977 г.).
Признаки аналога, совпадающие с признаками изобретения: приемная и передающая антенны, усилительный блок, приемо-передающий канал.
Известно сверхвысокочастотное приемо-передающее устройство (Патент РФ на изобретение №2133078, МПК С16Н04В 1/38, опубликовано 20.01.2004 г. Бюл. №2), принятое за прототип изобретения. Сверхвысокочастотное приемо-передающее устройство содержит: приемную и передающую антенны, последовательно соединенные третий смеситель, первый фильтр СВЧ, первый смеситель, базовый блок обработки сигналов, второй смеситель, второй фильтр СВЧ и четвертый смеситель, включенные между выходом приемной антенны и входом передающей антенны, первый высокочастотный гетеродин, выход которого через последовательно соединенные пятый смеситель и третий фильтр СВЧ соединен с гетеродинным входом первого смесителя и через последовательно соединенные шестой смеситель и четвертый фильтр СВЧ соединен с гетеродинным входом третьего смесителя, а также второй высокочастотный гетеродин, выход которого через последовательно соединенные седьмой смеситель и пятый фильтр СВЧ соединен с гетеродинным входом второго смесителя и через последовательно соединенные восьмой смеситель и шестой фильтр СВЧ соединен с гетеродинным входом четвертого смесителя, причем гетеродин соединен с гетеродинными входами пятого смесителя, шестого смесителя, седьмого смесителя и восьмого смесителя.
Недостатком прототипа является узкая полоса рабочих частот, ограниченная полосой первого преобразователя частоты.
Прототип представляет собой канал двойного преобразования частоты СВЧ сигнала первой и второй ступени, на входе которого включена приемная, а на выходе передающая антенна.
Признаки прототипа, совпадающие с признаками изобретения: приемная и передающая антенны и канал двойного преобразования частоты первой и второй ступени.
Технический результат изобретения заключается в расширении арсенала технических средств, предназначенных для приемопередачи и обработки сверхвысокочастотных (СВЧ) сигналов.
Технический результат изобретения достигается за счет сверхвысокочастотного приемо-передающего устройства, содержащего приемную и передающую антенну и канал двойного преобразования частоты первой и второй ступени, а также за счет введения К-1 каналов двойного преобразования частоты, где К целое число - два или больше, переключателя, делителя мощности, блока управления, опорного генератора, светвителя, генератора «белого шума», импульсного генератора, причем переключатель имеет два входа СВЧ сигнала, соединенных с выходом импульсного генератора и выходом приемной антенны, один выход СВЧ сигнала, соединенный с входом СВЧ сигнала делителя мощности, и один вход управляющего сигнала блока управления, соединенный с блоком управления, делитель мощности имеет один вход СВЧ сигнала и К выходов СВЧ сигналов, блок управления имеет вход сигнала опорного генератора, соединенный с выходом сигналов опорного генератора, выходы управляющих сигналов по числу стабилизаторов частоты в одном канале, соединенные со стабилизаторами частоты, выход/вход управляющего сигнала и один выход сигнала управляющего переключателем, соединенный с переключателем, опорный генератор имеет выход сигналов, светвитель имеет К входов СВЧ сигналов и один выход СВЧ сигнала, генератор «белого шума» имеет один выход, соединенный с входом импульсного генератора, причем каждый i-й канал двойного преобразования частоты имеет вход СВЧ сигналов и выход СВЧ сигналов, где i=1, 2, … К, входы сигнала опорного генератора, входы сигналов блока управления по числу стабилизаторов частоты в канале и вход-выход сигнала блока управления, кроме того, приемная антенна, переключатель и делитель мощности соединены последовательно, каждый i-й выход делителя соединен с входом i-го канала, а каждый выход i-го канала соединен с i-ым входом светвителя, выход которого соединен с входом передающей антенны, причем генератор «белого шума», импульсный генератор и один из входов СВЧ сигнала переключателя соединены последовательно, кроме того, каждый i-й канал двойного преобразования частоты входом СВЧ сигналов соединен с i-ым выходом делителя мощности, а его выход СВЧ сигнала соединен с i-ым входом светвителя, выход которого соединен с входом передающей антенны.
Изобретение поясняется чертежами.
Фиг. 1. Структурная электрическая схема устройства по изобретению.
Фиг. 2. Частотный план состояний фазового фронта соответствия сигнала, в разных каналах поступающего на цифровую обработку, принятому сигналу. На оси абсцисс графика отложена частота СВЧ сигнала f, на оси ординат - время t требуемой задержки сигналов в каналах устройства по изобретению для выравнивания электрической длины каналов двойного преобразования частоты.
Каналы двойного преобразования частоты из-за различных технологических причин имеют разные электрические длины СВЧ трактов (фиг. 1).
Переключатель 2 имеет первый вход СВЧ сигнала от приемной антенны, второй вход СВЧ сигнала от ИГ 18, один выход СВЧ сигнала и один вход управляющего сигнала блока управления 13.
Делитель мощности 3 имеет один вход СВЧ сигнала и К выходов СВЧ сигналов.
Блок управления 13 имеет вход сигнала опорного генератора 14, два выхода управляющих сигналов, по числу стабилизаторов в одном канале, выход-вход управляющего сигнала и один выход сигнала, управляющего переключателем 2.
Опорный генератор 14 имеет выход сигнала.
Светвитель 15 имеет К входов СВЧ сигналов и один выход СВЧ сигнала.
Генератор «белого шума» 17 имеет один выход.
Импульсный генератор 18 имеет вход и выход сигнала «белого шума».
Каждый канал двойного преобразования частоты одного поддиапазона содержит: первый фильтр 4, первый 5 преобразователь частоты, аналого-цифровой преобразователь 6, первый стабилизатор 7, устройство цифровой обработки сигналов 8, второй стабилизатор 9, цифроаналоговый преобразователь 10, второй фильтр 11, второй преобразователь частоты 12, соединенные последовательно.
Кроме того, каждый канал двойного преобразования частоты имеет вход и выход СВЧ сигналов, семь входов сигналов опорного генератора 14, по числу активных устройств канала, вход-выход сигналов блока управления 13 и два входа блока управления, по числу стабилизаторов канала. Вход СВЧ сигналов канала соединен с входом фильтра 4, а выход СВЧ сигналов канала соединен с выходом второго преобразователя частоты 12.
Первый фильтр 4 имеет вход и выход преобразуемого СВЧ сигнала, его вход является входом канала СВЧ сигнала.
Первый преобразователь 5 частоты имеет выход и первый вход преобразуемого СВЧ сигнала и второй вход сигнала опорного генератора 14.
АЦП 6 имеет выход и первый вход преобразуемого СВЧ сигнала и второй вход сигнала опорного генератора 14.
Первый 7 и второй 9 стабилизаторы частоты имеют по одному выходу и по одному первому входу преобразуемого сигнала, вторые входы сигнала опорного генератора 14.
Устройство цифровой обработки сигналов 8 имеет выход и первый вход преобразуемого сигнала, второй вход сигнала ОГ 14 и вход-выход сигнала блока управления 13.
Цифроаналоговый преобразователь 10 имеет выход и первый вход преобразуемого сигнала, второй вход сигнала опорного генератора 14.
Второй фильтр 11 имеет вход и выход преобразуемого СВЧ сигнала.
Второй преобразователь 12 частоты имеет выход и первый вход преобразуемого СВЧ сигнала и второй вход сигнала опорного генератора 14, выход его СВЧ сигнала является выходом канала.
Каждый i-й канал двойного преобразования частоты входом СВЧ сигналов соединен с i-ым выходом делителя мощности 3, а выход канала СВЧ сигнала соединен с i-ым входом светвителя 15, выход которого соединен с входом передающей антенны 16.
Приемная антенна 1, переключатель 2 и делитель мощности 3 соединены последовательно, каждый i-й выход делителя 3 соединен с входом i-го канала, а каждый выход i-го канала соединен с i-ым входом светвителя 15, выход которого соединен с входом передающей антенны 16.
Генератор «белого шума» 17, импульсный генератор 18 и второй вход сигнала модулированный «белый шум» переключателя 2 соединены последовательно.
Выход ОГ 14 соединен:
- со вторым входом первого преобразователя частоты 5 (первый вход i-го канала), база для создания сигнала гетеродина;
- со вторым входом АЦП 6 (второй вход i-го канала), база для создания сигналов дискретизации и аналого-цифрового кодирования;
- со вторым входом первого стабилизатора 7 (третий вход i-го канала), база для коррекции сигналов, преобразованных АЦП;
- со вторым входом ЦОС 8 (четвертый вход i-го канала), база для создания тактового сигнала работы ПЛИС;
- со вторым входом второго стабилизатора 9 (пятый вход i-го канала), база для коррекции сигналов, преобразованных АЦП;
- со вторым входом ЦАП 10 (шестым входом i-го канала), база для создания сигналов дискретизации и аналого-цифрового кодирования;
- со вторым входом второго преобразователя 12 (седьмым входом i-го канала), база для создания сигнала гетеродина;
- с входом блока управления 13 для создания тактового сигнала работы аппаратных средств БУ 13.
Первый выход сигналов блока управления 13 соединен с третьим входом первого стабилизатора 7 (третий вход i-го канала) для передачи значений времени поступления и значений времени задержки сигнала модулированный «белый шум».
Выход-вход сигналов блока управления 13 соединен с входом-выходом ЦОС 8 (вход-выход i-го канала) для передачи в БУ 13 времени поступления сигналов модулированный «белый шум» и сигнала об окончании задержки сигнала модулированный «белый шум».
Второй выход сигналов блока управления 13 соединен с третьим входом второго стабилизатора 9 (пятый вход i-го канала) для передачи значений времени поступления и значений времени задержки сигнала модулированный «белый шум».
Третий выход сигналов блока управления 13 соединен со вторым входом управляющего сигнала переключателя 2.
Приемная антенна 1, переключатель 2 и делитель мощности 3 соединены последовательно. Каждый i-й выход делителя 3 соединен с входом i-го канала.
Каждый выход i-го канала соединен с i-ым входом светвителя 15, выход которого соединен с входом передающей антенны 16.
ГБШ 17, ИГ 18 и второй вход сигнала модулированный «белый шум» переключателя 2 соединены последовательно.
В качестве приемной 1 и передающей 16 антенн могут быть применены спиральные антенны, работающие в диапазоне 2…18 ГГц. Применение при производстве спиральных антенн подложки из диссипативного материала позволяет получить в этом диапазоне практически независимый от частоты коэффициент усиления антенн.
Переключатель 2 СВЧ-тракта предназначен для переключения сигналов приемной антенны 1 и сигналов модулированный «белый шум» (МБШ), совместно реализованных генераторами ГБШ 17 и ИГ 18 и может быть выполнен как переключатель СВЧ-трактов.
Антенна 1, переключатель 2, последовательно соединенные ГБШ 17 и ИГ 18 - переключатель 2 на делитель мощности 3 работают по сигналу, передаваемому с третьего выхода БУ 13 на управляющий вход переключателя 2.
Делитель мощности 3 предназначен для деления входного СВЧ сигнала по числу каналов К в равных долях, имеет вход и К выходов, может быть выполнен полосковым.
БУ 13 предназначен для управления устройством по изобретению и может быть реализован на базе платы RadiSyS Avelue ЕАХ - Q 45 с чипсетом Intel Q45/ICH10D0.
- Процессор Intel Celeron E1500, 2.2 ГГц.
- ОЗУ 1 Гбайт.
- Жесткий диск 120 Гбайт.
- Корпус, соответствующий стандарту 19' EIA RS - 310С.
БУ 13 имеет выход сигнала управления переключателем 2, вход сигнала ОГ 14 для формирования тактовых сигналов устройств аппаратных средств БУ, выход-вход сигналов ЦОС 8 и два выхода управляющих сигналов первого 7 и второго 9 стабилизаторов.
-12
ОГ 14 служит для генерации сверхстабильных тактовых сигналов, предназначенных для всех дискретных и цифровых устройств приемопередатчика, в качестве его может быть применен стандарт частоты Ч1-81, частота его выходного сигнала 5 МГц, а среднее относительное изменение частоты за сутки (дрейф) менее 1*10, имеет один выход.
Светвитель 15 СВЧ имеет К входов СВЧ сигналов каналов и выход суммы этих сигналов, может быть выполнен полосковым, электрические длины всех полосков равны, выполнены по одной строгой технологии.
ГБШ 17 предназначен для генерации входного СВЧ сигнала «белым шумом» и может быть применен генератор Noisecom UFX 7000.
ГИ 18 предназначен для амплитудной модуляции сигнала «белого шума» и может быть применен генератор сложных сигналов Agilent 33250А.
Физические предпосылки изобретения (фиг. 2)
Изобретение решает задачу устранения взаимной зависимости максимального динамического уровня входного сигнала и ширины рабочей полосы преобразования частот, что требуется при работе с современными широкополосными сигналами, сигналами с импульсной перестройкой несущей частоты, при необходимости одновременной работы с сигналами, находящимися в двух, трех и более СВЧ-диапазонах, максимально возможная ширина рабочей полосы рабочих частот прототипа ограничена увеличением уровня паразитных частот в полосе преобразования.
Для решения задачи определения ширины полосы преобразования частот для того, чтобы обеспечить заданный уровень динамического диапазона принятого сигнала, необходимо знать источники помех, имеющих место при преобразовании частоты, оценить величину каждого вида помехи относительно величины паразитной помехи в целом. Знание источников указывает на методы их уменьшения, дает возможность разработать математическую модель преобразователя частоты, что, в частности, рассмотрено в книге под редакцией М. Сколника «Справочник по радиолокации».
Характеристики преобразователя представлены степенным рядом, что оказалось удобным при расчете различных побочных явлений в процессе преобразования сигнала. Ток на входе в нелинейном преобразователе представлен степенным рядом по напряжению U:
1
2
jωt
jωt
Напряжение, приложенное к преобразователю, равно сумме напряжения гетеродина Ue и напряжения сигнала Ue:
После подстановки значения уравнения 2 в уравнение 1 и выполнения указанных операций получим формулу для расчета спектра на выходе преобразователя.
Используя результаты таких расчетов, были сделаны различные варианты номограмм, позволяющие быстро определить, какие комбинации входных частот и полос пропускания не дают сильных паразитных комбинационных составляющих низкого порядка. Удобные формы номограмм приведены в Brown Т.Т. "Mixer Harmonic Chart" - Electronics Buyer's Guide, стр. R46, R47, июнь, 1954 г., а также в патенте RU 2446404 C1, 03.08.2010 г. и в ряде других работ.
По изобретению преобразователи частоты каждого канала выполняются в соответствии с требованиями получения максимального динамического уровня входного сигнала при сохранении требуемой ширины рабочих полос в каждом канале.
Устройство по изобретению имеет неограниченную мгновенную полосу преобразования частот, что стало возможным с применением многоканального исполнения аналоговых и цифровых устройств обработки полученной информации, а также при обеспечении: работы систем управления и обработки информации в едином времени с применением высокоточного ОГ 14, сохранения идентичности временного, фазового фронта принятых и обрабатываемых сигналов.
Частотный диапазон каждого канала сформирован таким образом, чтобы конец рабочей полосы преобразования частоты одного канала являлся началом рабочей полосы следующего канала.
Электрические длины СВЧ-трактов многоканального преобразователя частоты по различным технологическим причинам не равны между собой, что является причиной нарушения фазового фронта принятого потока сигналов на выходе многоканального преобразователя частоты и искажению спектра выходного СВЧ сигнала.
При совместной работе СВЧ-трактов многоканального преобразователя частоты, это приведет к фазовой несовместимости потоков сигналов, поступающих на вход многоканального устройства ЦОС 8, т.е. будет нарушено соответствие фазового фронта потока сигналов на входе многоканального преобразователя частоты фазовому фронту потока сигналов на входе устройства ЦОС 8, учитывая, что между цифровыми каналами существует жесткое фазовое соответствие, обеспечиваемое сигналами единого опорного генератора ОГ 14.
Операции по восстановлению временного (фазового) фронта проводятся в цифровой части приемопередатчика, что существенно сокращает уровень шумов, которые были бы возможны при реализации этой операции в аналоговой части.
Восстановление исходного фазового фронта потока сигналов поступающего на входы ЦОС 8 реализуется путем применения цифрового согласующего фильтра, который настраивается в режиме «Настройка». Во время настройки определяются коэффициенты фильтрации цифрового фильтра, устанавливаемого на входе устройства цифровой обработки сигналов для коррекции первого преобразования частоты, на выходе ЦОС 8 - для коррекции второго преобразования.
Процесс настройки проиллюстрирован на фиг. 2.
Несущая частота сигнала настройки должна быть одинаково воспринимаема на всех участках рабочего диапазона, например 2…40 ГГц. Таким сигналом может быть только «белый шум», с известной степенью приближения воспроизводимый ГБШ 17, в качестве которого может быть применен генератор Noisecom UFX 7000, модулированный прямоугольными импульсами, воспроизводимыми ИГ 8, в качестве которого может быть применен генератор сложных сигналов Agilent 33250А. Модулированный «белый шум» подается на вход переключателя 2, выход которого соединен с входом делителя мощности 3, где он делится на равные по мощности сигналы, которые с выходов делителя подаются на входы полосовых фильтров i.4, частотные поддиапазоны которых соответствуют поддиапазонам преобразователей частоты i.5, входы которых соединены с выходами полосовых фильтров i.4.
Сигнал модулированного «белого шума» (МБШ) одновременно поступает на входы СВЧ-трактов многоканального преобразователя частоты 5, выходы которого соединены с входами последовательно соединенных устройств аналого-цифрового преобразования 6, стабилизатора 7 и многоканальными устройствами цифровой обработки сигналов 8.
Моменты поступления сигналов МБШ на входы каждого канала ЦОС фиксируются и записываются в память блока управления 13. С момента первого поступления сигнала на вход многоканального устройства ЦОС 8 начинается отсчет времени поступления, запаздывания моментов начала поступления сигналов МБШ на каждый канал относительно момента первого поступления сигнала на вход многоканального ЦОС 8 (относительно канала с самой короткой электрической длиной). Время поступления сигнала МБШ на канал с самой большой электрической длиной фиксирует окончание цикла настройки.
Значение времени задержки сигнала МБШ на входе в устройство ЦОС i.8 для восстановления временного (фазового) фронта, т.е. исходного фазового состояния принятых сигналов перед их цифровой обработкой многоканальным устройством цифровой обработки сигналов, определяется по формуле (см. фиг. 2):
max
min
min
t - время поступления сигнала МБШ на вход ЦОС i.8 канала с максимальной электрической длиной аналогового тракта относительно минимального времени t (t=0), зафиксированного на входе одного из каналов;
i
t' - время поступления сигнала на вход одного из каналов многоканального ЦОС i.8;
i
t - время задержки сигнала МБШ в режиме контроля настройки.
min
i
max
i
Полученные значения времени t, t', t с выхода ЦОС i.8 поступают на вход БУ13, где записываются в память и вычисляется время задержки сигнала настройки t.
min
max
При t=0 максимальное время запаздывания сигнала настройки t определяет максимальное технологическое неравенство электрических длин высокочастотных трактов каждого приемного преобразователя частоты i.5 или передающего преобразователя частоты i.12 устройства. В зависимости от этого выбираются аппаратные средства и соответствующее математическое и программное обеспечение для задержки сигнала при настройке цифрового согласующего устройства. Универсальным, но не самым простым вариантом является адаптивный цифровой фильтр, который позволяет достаточно точно реализовать задержки сигналов с учетом того, что в его состав должны быть введены элементы отрицательной обратной связи. Но этот вариант цифрового фильтра требует разработки достаточно сложного и емкого математического и соответствующего программного обеспечения, а также соответствующих аппаратных средств.
Более простой, менее затратный по времени разработки, стоимости и достаточно точный при реализации задержки сигнала вариант - устройство стабилизации тактовых сигналов типа AD 957-3, фирмы Analog Devices и ряда других аналогичных устройств, технические характеристики которых гарантируют погрешность при реализации задержки сигналов не более двух пикосекунд и различные диапазоны времени задержки сигналов.
Учитывая, что рабочая полоса ПЛИС равна 500 МГц, фазовая точность для сигналов на этой частоте определяется по формуле:
Δϕ=360°*Δt/T, где
Т - период повторения сигнала,
Δt - погрешность формирования временного фронта принятого сигнала, поступившего на цифровую обработку ЦОС.
Для сигналов с частотой 500 МГц и с погрешностью Δt=2 пс имеем:
-8
Т=1/5*10.
-12
-8
Фазовая точность Δϕ=360°*2 пс/Т=360°*2*10/5*10=0,0144 Ф⋅ град=0,864 Ф⋅ мин.
Полученная фазовая погрешность приемлема при разработке систем измерительной техники, систем связи, радиоэлектронной разведки (РТР), радиоэлектронного противодействия (РЭП).
Сигналы на входе в ЦОС 8 поступают непосредственно с выходов стабилизаторов. Следовательно, точность времени поступления сигналов на входы ЦОС 8 равна соответствующей точности стабилизатора, т.е. в конечном счете - это точность формирования восстановленного временного фронта потока принятых сигналов, поступающих на цифровую обработку.
Сигналы с выходов преобразователей частоты первого преобразования поступают на входы АЦП 6, где производятся две основные операции преобразования аналогового сигнала в цифровой: дискретизация, т.е. деление потока информации, представленного в аналоговой форме на отдельные фрагменты, и кодирование амплитуды аналогового сигнала в цифровую форму.
В процессе дискретизации появляются паразитные составляющие: джиггер (фазовый шум), ведущий к расширению частотных полос компонентов спектра сигнала на выходе АЦП i.6, и гармонические составляющие, появляющиеся в процессе дискретизации.
Выходы АЦП i.6 соединены с входами стабилизатора i.7, который выполняет, помимо основной, указанной в его названии, еще две задачи:
i
i
1. Реализация начала воспроизведения задержки - t' и длительности задержки t с точностью до 2 пикосекунд. Выполнение этих операций обеспечивается устройством памяти и логическим устройством, входящими в состав стабилизатора.
2. Понижение уровня фазового шума (джиттера), генерируемого АЦП в процессе дискретизации аналогового потока сигналов.
i
Общее управление началом задержек сигналов t' многоканальным цифровым фильтром осуществляется блоком управления 13.
Для реализации этих функций этим требованиям отвечают стабилизаторы тактовых сигналов типа AD 957-3 фирмы Analog Devices.
Диапазон времени задержки у выбранного типа стабилизатора: 50…680 пикосекунд, точность воспроизведения задержки: 2 пикосекунды. В связи с тем что электрическая длина ряда каналов может быть достаточно близка к электрической длине канала с максимальной длиной в связи со сходством технологии их изготовления, требуемая величина задержки может быть меньше минимально возможного значения времени задержки в диапазоне выбранного типа стабилизатора. Поэтому в формулу (1) введена постоянная величина С, близкая по величине к времени минимальной задержки сигнала в диапазоне выбранного типа стабилизатора - 70 пикосекунд, т.е. время, исключающее краевые эффекты при формировании запаздываний. Значение С записывается в память блока управления 13. Определение времени задержки сигналов определяется по формуле (2):
Выход стабилизатора i.7 соединен с входом многоканального устройства ЦОС i.8. Цифровая обработка сигналов в реальном времени производится с применением программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), способных обеспечивать вычисления на частотах не выше 500 МГц. Следовательно, потоки данных от преобразователей частоты фрагментированы на отдельные блоки вычислений с тем, чтобы в каждом блоке предельная частота не превышала 500 МГц.
К основным функциям ЦОС относятся: обнаружение сигнала; фильтрация; определение амплитудных и импульсных характеристик сигнала, частоты; цифровая коррекция входного сигнала от гармонических паразитных составляющих, возникающих при дискретизации аналогового сигнала в АЦП. Момент поступления сигнала на вход ЦОС i.8 фиксируется устройством ЦОС. Полученная информация передается в блок управления 13. При реализации цифровой составляющей приемопередатчика были применены ПЛИС класса Stratix IV. Достоинством ПЛИС этого класса, при решении подобных задач, является блочная организация логических элементов, шестивходные адаптивные таблицы просмотра (ALUT), относительно большие блоки сосредоточенной памяти со скоростями тактового сигнала до 600 МГц и блоки цифровой обработки сигналов (DSP) с эффективной частотой работы от 300 МГц до 500 МГц (в зависимости от разрядности вычислений). Подсистемы ввода-вывода совместимы с высокоскоростными АЦП 6 и ЦАП 10.
Многоканальный приемник может использоваться отдельно от передатчика в системах, где требуется высокое качество преобразования частоты, т.е. обеспечивается высокий динамический уровень входного сигнала независимо от его рабочей ширины полосы преобразования частоты. Области применения: измерительная техника, радиотехническая разведка (РТР), мониторинг пространства и др.
Фильтры для аналоговых устройств трактов многоканального передатчика настраиваются аналогичным образом на стенде, структура которого повторяет структуру аналогового фрагмента приемника. На входы каналов передатчика подаются сигналы настройки, выходы каналов соединяются со всеми АЦП i.6 и ЦОС i.8 стенда.
Номера коэффициентов фильтрации присваиваются соответствующим каналам и запоминаются в блоке управления.
После определения значений коэффициентов фильтрации переключатель «Антенна - настройка» переключается в положение «Работа».
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема многоканального сверхширокополосного приемо-передающего устройства. На фиг. 2 представлен частотный план состояний взаимного фазового соответствия сигналов, поступивших на цифровую обработку, сигналам на входе преобразователя частоты.
Работе приемо-передающего устройства предшествует настройка согласующего цифрового фильтра, выполненного на базе стабилизаторов тактовых сигналов, используемых при первом и втором преобразовании частоты, т.е. определение последовательности и величины задержки сигналов на входе и выходе ЦОС 8, связанное с неравенством соответствующих аналоговых трактов, т.е. неравенством их электрических длин и связанных с этим относительных задержек времени, искажающими временной, фазовый фронт потоков сигналов, поступающие на цифровую обработку (для первого преобразования частоты) - нулевая конфигурация 1 и поступающие на вход светвителя 15 (для второго преобразования частоты) - нулевая конфигурация 2.
Настройка приемной части приемо-передающего устройства проводится в следующей последовательности.
1. Сигналы настройки - «белый шум», модулированный прямоугольными импульсами, генерируются ГБШ 17, последовательно соединенными с ИГ 18. Параметры модулирующих импульсов: длительность импульса 50 мс, период следования импульсов 300 мс. Выход импульсного генератора соединен с входом тракта настройки переключателя 2.
2. С БУ 13 передается команда на переключатель 2 на включение в положение «Настройка», после чего сигнал МБШ поступает на вход делителя мощности 3, где поступающий поток сигналов делится равномерно в соответствии с количеством каналов приемопередатчика - К.
3. С i-го выхода делителя мощности 3 СВЧ сигнал поступает на вход фильтра i.4 и с полосой частот i-го канала поступает на вход соответствующего преобразователя частот i.5, с выхода которого на последовательно соединенные i-е каналы АЦП i.6, стабилизаторы i.7 и устройства цифровой обработки сигнала i.8.
min
4. Моменты поступления сигналов настройки на входы каждого канала устройства ЦОС фиксируются устройствами ЦОС 8 относительно времени поступления первого сигнала настройки t.
min
i
max
5. Полученные данные записываются в память БУ 13 в порядке возрастания: t, t', t, где
min
t - минимальное время запаздывания поступления сигнала настройки на вход ЦОС 8; канал с минимальной электрической длиной СВЧ-тракта приемного устройства; начало цикла получения данных для формирования параметров цифрового фильтра.
i
t' - время запаздывания поступления сигнала настройки, величина которого .
max
t - максимальное время запаздывания поступления сигнала настройки на вход ЦОС 8; канал с максимальной электрической длиной СВЧ-тракта приемного устройства; окончание цикла получения данных для формирования цифрового фильтра.
6. В БУ 13 производиться определение времени задержки сигналов на основе полученных данных в предыдущей операции:
i
max
i
t=t-t'.
Учитывая, что реализация цифрового многоканального фильтра производится на базе стабилизаторов тактовых сигналов типа AD 917-3 фирмы Analog Devices, необходимо учесть, что в связи с тем, что электрическая длина СВЧ-трактов приемопередатчика может быть достаточно близка к максимальной электрической длине одного из каналов, что связано единством технологии их изготовления, требуемая величина задержки сигнала может быть меньше минимально возможного значения времени задержки в диапазоне выбранного типа стабилизатора. Поэтому в формулу (1) введена постоянная величина С=70 пикосекунд, близкая по величине к времени минимальной задержки сигнала в диапазоне выбранного типа стабилизатора - 50 пикосекунд, т.е. время, исключающее краевые эффекты при формировании запаздываний. Значение С записывается в память блока управления 13. Значение времени задержки сигналов определяется по формуле:
min
max
i
Полученные данные: минимальное значение времени, зафиксированное в канале с минимальной электрической длиной СВЧ-тракта, является началом цикла измерения времени запаздывания поступления сигналов на вход устройств цифровой обработки сигналов. Максимальное время поступления сигнала настройки, полученное в канале с максимальной величиной длины СВЧ-тракта канала, означает конец цикла измерения. Минимальное время t, равное нулю, максимальное t и промежуточные значения времени запаздывания сигнала t записываются в память БУ 13.
min
max
Ci
7. В память стабилизаторов i.7 каждого канала записываются: соответствующие каждому каналу значения i.t; i.t; , фиксирующих начало реализации нулевой задержки времени, т.е. начало настройки фильтра; значения t - длительности нулевых задержек с учетом минимально возможных значений задержек производимых стабилизатором.
min
i
max
8. В память стабилизатора i.7 каждого канала вводятся соответствующие каждому каналу значения i.t; i.t; i.t, которые фиксируют время подачи команды начала работы цифрового фильтра, т.е. начало задержки сигнала при работе приемопередатчика в режиме «Работа».
9. Фиксация и запись времени окончания задержки сигналов в каждом канале относительно времени начала процесса задержки сигнала в память соответствующего стабилизатора и данные о времени окончания задержки сигналов во всех каналах передаются в память БУ 13.
10. В БУ 13 полученные данные о значениях времени окончания процесса задержки сигналов в каждом канале анализируются, и, если отклонение от требуемого значения не превышает 2 пикосекунды, процесс настройки нулевой конфигурации приемного устройства можно считать законченным.
1
На основе результатов, полученных при работе в режиме «Настройка», формируются команды включения цифрового фильтра на первом этапе в режиме «Работа». С БУ 13 поступает команда К (начало работы), по которой начинается задержка сигнала в канале с минимальной электрической длиной СВЧ-тракта и начинается отсчет времени во всех стабилизаторах каналов. По истечении времени  в логических устройствах стабилизаторов инициируется команда на начало реализации задержки поступления сигналов на вход ЦОС 8.
max
i
Время реализации задержки в канале с минимальной длиной СВЧ-тракта: t, у остальных каналов t. По завершении времени реализации задержки в логических устройствах каждого канала цикл создания согласующего цифрового фильтра завершен. На вход ЦОС 8 поступают сигналы с восстановленным временным (фазовым) фронтом.
Настройка передатчика проводится путем установки модуля преобразователя частоты передатчика на место модуля преобразователя частоты приемника или операции настройки следует проводить с использованием специального стенда, имеющего аналогичную структуру. Дальнейшая работа проводится в аналогичной последовательности.
Определение параметров согласующего фильтра передатчика проводится аналогично. Модуль преобразователя частоты передатчика устанавливается на место преобразователя приемника, после чего определяются параметры согласующего фильтра многоканального передатчика. Фильтры передатчика устанавливаются на выходе устройства ЦАП 10, после чего проводятся операции определения параметров фильтра и, при необходимости, проводится необходимая коррекция.
1
Приемник и передатчик работают как единая система. Команда К о начале настройки фильтра передается на все стабилизаторы передатчика, т.о. формирование многоканального согласующего цифрового фильтра приемника и аналогичного фильтра передатчика проводиться одновременно.
2
По завершении этой операции подается команда К о завершении формирования фильтров приемника и передатчика и начале работы приемопередатчика в штатном режиме.
Предлагаемое устройство может быть использовано при создании систем, где:
- Необходимо иметь максимальный динамический уровень входного сигнала при требуемой ширине мгновенного диапазона преобразования частоты.
- При формировании рабочего мгновенного диапазона преобразования частоты можно нарушить непрерывность мгновенного диапазона без нарушения временного (фазового) фронта потока сигналов, поступающих на цифровую обработку.
- При создании систем РТР, РЭП, РЛС требуются широкие возможности для создания и идентификации сложных сигналов.
- При создании помех системам РТР, РЭП, РЛС.
Отличительные признаки изобретения
Введены К-1 каналов двойного преобразования частоты, где К целое число - два или больше, переключатель 2, делитель мощности 3; блок управления 13; опорный генератор 14; светвитель 15, генератор белого шума 17, импульсный генератор 18.
Переключатель 2 имеет два входа СВЧ сигнала, один выход СВЧ сигнала и один вход управляющего сигнала блока управления 13.
Делитель мощности 3 имеет один вход СВЧ сигнала и К выходов СВЧ сигналов.
Блок управления 13 имеет вход сигнала опорного генератора 14, два выхода управляющих сигналов, по числу стабилизаторов в каждом канале, выход-вход управляющего сигнала и выход сигнала управляющего переключателем 2. Опорный генератор 14 имеет выход сигнала.
Светвитель 15 имеет К входов СВЧ сигналов и выход СВЧ сигнала, генератор «белого шума» 17 имеет один выход, импульсный генератор 18 имеет вход и выход сигнала «белого шума».
Каждый параллельный канал двойного преобразования частоты имеет вход и выход СВЧ сигналов, семь входов сигнала опорного генератора 14, по числу активных устройств в канале, два входа сигналов блока управления, по числу стабилизаторов в канале, и вход-выход сигнала блока управления 13.
Приемная антенна 1, переключатель 2 и делитель мощности 3 соединены последовательно, каждый i-й выход делителя 3 соединен с входом i-го канала, а каждый выход i-го канала соединен с i-ым входом светвителя 15, где i=1, 2, … К, выход которого соединен с входом передающей антенны 16.
Генератор «белого шума» 17, импульсный генератор 18 и второй вход сигнала модулированный «белый шум» переключателя 2 соединены последовательно.
Каждый i-й канал двойного преобразования частоты входом СВЧ сигналов соединен с i-ым выходом делителя мощности 3, а выход СВЧ сигнала канала соединен с i-ым входом светвителя 15, входы сигнала опорного генератора 14 соединены с выходом опорного генератора, входы стабилизаторов соединены с выходами блока управления, а вход-выход соединен с выходом-входом блока управления 13.
Канал двойного преобразования частоты одного поддиапазона имеет: вход СВЧ сигнала, первый фильтр 4, первый 5 преобразователь частоты, аналого-цифровой преобразователь 6, первый стабилизатор 7, устройство цифровой обработки сигналов 8, второй стабилизатор 9, цифроаналоговый преобразователь 10, второй фильтр 11, второй преобразователь частоты 12, причем каждый канал имеет выход СВЧ сигнала, семь входов сигналов опорного генератора 14, по числу активных устройств канала, вход-выход сигналов блока управления 13 и два входа блока управления, по числу стабилизаторов канала. Перечисленные по порядку устройства канала двойного преобразования частоты своими входами и выходами преобразуемых СВЧ сигналов соединены последовательно,
Первый преобразователь 5 частоты имеет выход и первый вход преобразуемого СВЧ сигнала, и второй вход сигнала опорного генератора 14, второй преобразователь 12 частоты имеет выход и первый вход преобразуемого СВЧ сигнала и второй вход сигнала опорного генератора 14,
Цифроаналоговый преобразователь 10 имеет выход и первый вход преобразуемого сигнала и второй вход сигнала опорного генератора 14,
Первый 7 и второй 9 стабилизаторы частоты имеют по одному выходу и по одному первому входу преобразуемого сигнала, вторые входы сигнала опорного генератора 14, устройство цифровой обработки сигналов 8 имеет выход, первый вход преобразуемого сигнала, вход-выход сигнала блока управления 13 и вход сигнала опорного генератора 14.
Выход-вход сигналов блока управления 13 соединен с входом-выходом устройства цифровой обработки сигналов 8.