ПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО

Предлагаемая полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться в качестве приемного устройства в системах подвижной радиосвязи с быстрой перестройкой частоты.
Известно приемное устройство [Головин О.В. Радиоприемные устройства. Высш. Шк., 1997г., стр.9, рис.1.6; И.Озеров. УКВ-приемник. ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 4/2002, стр.25, рис.2], построенное по классической схеме супергетеродинного радиоприемника с однократным преобразованием частоты входного сигнала в промежуточную частоту.
пч
с
г
пч
г
с
пч
г
с
В этом устройстве сигнал с антенны попадает в высокочастотный тракт (ВЧ), 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: F=F-F.
с
з
г
пч
з
г
з
Недостаток состоит в том, что в такой схеме необходимо принимать особые меры по подавлению сигнала в так называемом зеркальном канале приема. 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 является приемное устройство с двойным преобразованием частоты по патенту № 2381621 Н04В 1/26, которое принято за прототип.
Блок-схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где обозначено:
1 - преселектор;
2, 4 - первый и второй преобразователи частоты (ПЧ);
3 - усилитель первой промежуточный частоты;
5 - усилитель второй промежуточной частоты;
6, 7 - первый и второй синтезаторы частот (СЧ);
8 - опорный генератор (ОГ);
9 - микроконтроллер (МК);
10 - шина управления;
11 - широкополосный усилитель первой промежуточной частоты;
12 - ключ.
Приемное устройство-прототип содержит последовательно соединенные преселектор 1, первый преобразователь частоты 2, широкополосный усилитель первой промежуточной частоты 11, ключ 12, узкополосный усилитель первой промежуточной частоты 3, второй преобразователь частоты 4, усилитель второй промежуточной частоты 5, выход которого является выходом устройства, а также первый синтезатор частот 6, второй синтезатор частот 7, опорный генератор 8, микроконтроллер 9 и исходящую от него управляющую шину 10. При этом выход первого синтезатора 6 соединен со вторым (гетеродинным) входом первого преобразователя частоты 2, выход второго синтезатора частот 7 соединен со вторым (гетеродинным) входом второго преобразователя частоты 4, выход опорного генератора 8 соединен с соответствующими входами первого 6 и второго 7 СЧ. Антенна подсоединена к сигнальному входу преселектора 1, шина управления 10 с первого выхода микроконтроллера 9 соединена с управляющими входами преселектора 1, первого 6 и второго 7 синтезаторов частот, а второй выход микроконтроллера 9 соединен с управляющим входом ключа 12.
Устройство-прототип работает следующим образом.
пч
сч
p
пч
сч
p
Принимаемый сигнал с антенны поступает на вход преселектора 1, где происходит усиление и предварительная частотная селекция. Резонансные LC-контуры преселектора 1 перестраиваются по частоте одновременно с переключением частот первого синтезатора 6. С выхода преселектора 1 предварительно отфильтрованное по частоте напряжение поступает на сигнальный (первый) вход первого преобразователя частоты 2, на второй (гетеродинный) вход которого приходит соответствующий сигнал с выхода первого синтезатора частот 6. В результате на выходе первого ПЧ 2 формируется сигнал первой промежуточной частоты, который поступает на вход широкополосного усилителя первой промежуточной частоты 11, ширина полосы пропускания которого для повышения быстродействия выбирается такой, чтобы время окончания переходного процесса t в этом тракте до заданного уровня (например, до 1 кГц) после переключения частоты первого синтезатора 6 в сумме со временем переключения t самого синтезатора 6 было не больше требуемого минимального времени t переключения частот в радиостанции: t+t≤t.
При этом выбирается высокая частота первого преобразователя частоты 2, что одновременно исключает проблему зеркального канала.
Причем, чем шире полоса пропускания тракта первой промежуточной частоты, 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 первого ПЧ 2 используются высокодобротные фильтры с узкой полосой пропускания порядка 15-17 кГц, т.е. тракт первой промежуточной частоты является узкополосным.
Поэтому тракт первой промежуточной частоты разделен на две части: широкополосную и узкополосную. Между ними есть ключ 12, который по сигналу управления от МК 9 закрывается на переходное время при переключении частоты на управляющем входе первого преобразователя частоты 2, а после окончания переходного процесса (установления номинального значения первой промежуточной частоты) снова включается по сигналу управления от МК 9. При этом повышается быстродействие.
В приемном устройстве-прототипе переключение частот на выходе синтезаторов 6 и 7 осуществляется по сигналам, поступающим от микроконтроллера 9 по специальной шине управления 10. Управляющая шина 10 с выхода микроконтроллера 9 представляет собой стандартный трехпроводной 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.
Характерным отличием устройства-прототипа является введение требования быстродействия приемника, которое является новым и очень важным для современных систем радиосвязи с быстрой перестройкой частоты по заданной программе. В этом устройстве решена задача повышения быстродействия приемника путем отключения узкополосного тракта первой промежуточной частоты от широкополосного в переходном режиме после переключения частоты и включения узкополосного тракта после окончания переходного процесса в широкополосном тракте первой промежуточной частоты и установления в нем номинального значения первой промежуточной частоты. В этом случае с использованием ключа с согласованным импедансом по входу и выходу переходных колебаний и потери информации в узкополосном тракте первой промежуточной частоты уже не будет.
пч
пч
пч1
пч1
пч1
пч2
На время переключения частоты первого СЧ 6 и окончания переходного процесса в узкополосном усилителе первой промежуточной частоты 3 t ключ 12 с согласованным импедансом по входу и выходу закрыт по сигналу управления от МК 9 и не пропускает сигнал первой промежуточной частоты на вход узкополосного усилителя первой промежуточной частоты 3. После окончания времени t ключ 12 по сигналу управления от МК 9 открывается, и уже установившийся сигнал с частотой F проходит на вход узкополосного усилителя первой промежуточной частоты 3, где происходит более точная фильтрация и усиление сигнала с частотой F. С выхода узкополосного усилителя первой промежуточной частоты 3 усиленное и отфильтрованное напряжение с частотой F поступает на первый (сигнальный) вход второго преобразователя частоты 4, на второй (гетеродинный) вход которого поступает соответствующий сигнал с выхода СЧ 7. В результате на выходе второго ПЧ 4 формируется напряжение с частотой F, которое поступает на вход усилителя второй промежуточной частоты 5, где осуществляется заданная избирательность приемника по соседнему каналу (с помощью, например, высокодобротных керамических фильтров промежуточной частоты), 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.
Недостаток устройства-прототипа состоит в следующем.
В приемном устройстве с быстрым переключением входных частот по заданной программе каждый раз при переключении на новую частоту и окончании переходного процесса начинается интервал времени приема передаваемой информации (время «стояния» на заданной частоте), который примерно в 20-40 раз превышает время переключения частоты. В этом случае уже не нужно иметь широкую полосу пропускания в тракте первой промежуточной частоты. А в приемном устройстве-прототипе и во время приема информации тракт первой промежуточной частоты остается широкополосным. Это ухудшает избирательность и чувствительность приемного устройства.
Задача - повышение избирательности в тракте первой промежуточной частоты в режиме приема информации при сохранении быстродействия в режиме переключения принимаемых частот одновременно с высокой избирательностью по зеркальному и соседним каналам и высокой чувствительности.
Для решения поставленной задачи в приемное устройство, содержащее последовательно соединенные преселектор, первый преобразователь частоты, первый широкополосный усилитель первой промежуточной частоты; последовательно соединенные ключ, 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; микроконтроллер, второй выход которого соединен с управляющим входом ключа, причем шина управления с первого выхода микроконтроллера соединена с управляющими входами преселектора, первого и второго синтезаторов частот, причем выходная частота первого синтезатора частот значительно выше частоты принимаемого сигнала, согласно полезной модели, введены второй широкополосный усилитель первой промежуточной частоты, выход которого соединен с входом ключа, а вход второго широкополосного усилителя первой промежуточной частоты соединен с выходом первого широкополосного усилителя первой промежуточной частоты; последовательно соединенные первый цифровой потенциометр и первый повторитель напряжения, выход которого соединен с управляющим входом первого широкополосного усилителя первой промежуточной частоты; последовательно соединенные второй цифровой потенциометр и второй повторитель напряжения, выход которого соединен с управляющим входом второго широкополосного усилителя первой промежуточной частоты; при этом управляющие входы первого и второго цифрового потенциометра соединены также по шине с первым выходом микроконтроллера.
Блок-схема предлагаемого приемного устройства приведена на фиг.2, где обозначено:
1 - преселектор;
2, 4 - первый и второй преобразователи частоты (ПЧ);
3 - усилитель первой промежуточной частоты (УПЧ);
5 - усилитель второй промежуточной частоты (УПЧ);
6, 7 - первый и второй синтезаторы частот (СЧ);
8 - опорный генератор (ОГ);
9 - микроконтроллер (МК);
10 - шина управления;
11, 13 - первый и второй широкополосный усилитель первой промежуточной частоты;
12 - ключ;
14, 15 - первый и второй повторитель напряжения (ПН);
16, 17 - первый и второй цифровой потенциометр (ЦП);
Предлагаемое приемное устройство содержит последовательно соединенные преселектор 1, первый преобразователь частоты 2, первый широкополосный усилитель первой промежуточной частоты 11, второй широкополосный усилитель первой промежуточной частоты 13, ключ 12, узкополосный усилитель 3, второй преобразователь частоты 4, усилитель второй промежуточной частоты 5, выход которого является выходом устройства, а также первый синтезатор частот 6, второй синтезатор частот 7, опорный генератор 8, микроконтроллер 9 и исходящая от него управляющая шина 10, кроме того, последовательно соединенные первый цифровой потенциометр 16 и первый повторитель напряжения 14, выход которого соединен с управляющим входом первого широкополосного усилителя первой промежуточной частоты 11; последовательно соединенные второй цифровой потенциометр 17 и второй повторитель напряжения 15, выход которого соединен с управляющим входом второго широкополосного УПЧ 13.
При этом выход первого синтезатора 6 соединен со вторым (гетеродинным) входом первого преобразователя частоты 2, выход второго синтезатора частот 7 соединен со вторым (гетеродинным) входом второго преобразователя частоты 4, выход ОГ 8 соединен с соответствующими входами первого 6 и второго 7 СЧ, антенна подсоединена к сигнальному входу преселектора 1, шина управления 10 с первого выхода МК 9 соединена с управляющими входами преселектора 1, первого синтезатора частот 6, второго синтезатора частот 7, первого 16 и второго 17 цифрового потенциометра, а второй выход микроконтроллера 9 соединен с управляющим входом ключа 12.
Предлагаемое приемное устройство работает следующим образом.
Принимаемый сигнал с антенны поступает на вход преселектора 1, где происходит усиление и предварительная частотная селекция. Резонансные LC-контуры преселектора 1 перестраиваются по частоте одновременно с переключением частот первого синтезатора 6. С выхода преселектора 1 предварительно отфильтрованное по частоте напряжение поступает на сигнальный (первый) вход первого преобразователя частоты 2, на второй (гетеродинный) вход которого приходит соответствующий сигнал с выхода первого синтезатора частот 6. В результате на выходе первого ПЧ 2 формируется сигнал первой промежуточной частоты, который поступает на вход первого широкополосного усилителя первой промежуточной частоты 11, с выхода которого частично отфильтрованный сигнал поступает на вход второго широкополосного усилителя первой промежуточной частоты 13. Оба широкополосных УПЧ 11 и 13 имеют одинаковые полосы пропускания.
Общая частотная характеристика двух одинаковых последовательно соединенных широкополосных УПЧ 11 и 13 определяется произведением их характеристик и равна частотной характеристике широкополосного усилителя первой промежуточной частоты 11, аналогичного представленному в устройстве-прототипе. При этом выбирается высокая частота первого ПЧ 2, что одновременно исключает проблему зеркального канала.
пч
сч
p
пч
сч
p
С выхода второго широкополосного УПЧ 13 сигнал поступает на вход ключа 12, который на время установления в широкополосном тракте первой промежуточной частоты закрыт по сигналу управления от МК 9 и не пропускает сигнал первой промежуточной частоты на вход узкополосного усилителя первой промежуточной частоты 3. Ширина полосы пропускания тракта первой промежуточной частоты, состоящего из двух одинаковых последовательно соединенных первого широкополосного УПЧ 11 и второго широкополосного УПЧ 13, для повышения быстродействия выбирается такой, чтобы время окончания переходного процесса t в этом тракте до заданного уровня (например, до 1 кГц) после переключения частоты первого синтезатора 6 в сумме с временем переключения t самого синтезатора 6 было не больше требуемого минимального времени t переключения частот в радиостанции: t+t≤t.
пч
пч1
пч1
После окончания времени t ключ 12 с согласованным импедансом по входу и выходу открывается по сигналу управления от МК 9, и уже установившийся сигнал с частотой F проходит через ключ 12 на вход узкополосного усилителя первой промежуточной частоты 3, где происходит более точная фильтрация и усиление сигнала с частотой F с помощью системы высокодобротных узкополосных фильтров.
пч1
пч2
С выхода узкополосного усилителя первой промежуточной частоты 3 усиленное и отфильтрованное напряжение с частотой F поступает на первый (сигнальный) вход второго преобразователя частоты 4, на второй (гетеродинный) вход которого поступает соответствующий сигнал с выхода второго синтезатора 7. В результате на выходе второго ПЧ 4 формируется напряжение с частотой Р, которое поступает на вход усилителя второй промежуточной частоты 5, где осуществляется заданная избирательность приемника по соседнему каналу (с помощью, например, высокодобротных керамических фильтров промежуточной частоты), 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.
После окончания переходного процесса установления первой промежуточной частоты и включения ключа 12 начинается второй этап работы приемного устройства (ПРМ) - прием передаваемой информации. Второй этап работы ПРМ («стояние» на рабочей частоте) может быть по времени примерно в 20-40 раз больше, чем первый этап переключения частоты и окончания переходного процесса.
На втором этапе уже не нужно иметь широкую полосу пропускания в первом УПЧ 11, а наоборот, необходимо сузить полосу пропускания, чтобы повысить избирательность и чувствительность приемника (меньше шумов).
упр
Каждый широкополосный УПЧ 11 (13) предлагаемого приемного устройства представляет собой, например, систему из двух связанных параллельных контуров с варикапами, на которые поступают управляющие напряжения, что позволяет сместить центральные частоты их вверх и вниз от исходных центральных частот. Принципиальная схема возможного варианта УПЧ 11 (13) с переменной полосой пропускания на основе системы двух связанных контуров приведена на фиг.3, где часть емкости каждого резонансного контура выполнена с применением варикапов VD1 и VD2, на который поступает управляющее напряжение +U от цифрового потенциометра ЦП 16 (17) через повторитель напряжения ПН 14 (15). Изменение управляющих напряжений на варикапах приводит к смещению центральных частот контуров при сохранении исходной ширины пропускания. Управление ЦП 16 (17) происходит от МК 9 по трехпроводному интерфейсу аналогично управлению синтезатором частот.
Одновременное смещение центральных частот двух контуров в противоположные стороны на некоторую величину Δf приводит к уменьшению общей суммарной полосы пропускания тракта первой промежуточной частоты на 2Δf.
ш
узк
ш
Изменение исходной суммарной ширины полосы пропускания F в широкополосном УПЧ при смещении центральных частот двух одинаковых последовательно соединенных первого широкополосного УПЧ 11 и второго широкополосного УПЧ 13 в разные стороны на заданную величину Δf показано на фиг.4 а, б, в. В результате суммарная ширина полосы пропускания контура уменьшается и становится равной F=F-2Δf.
эт
Двухканальный цифровой потенциометр 16 (17), выполненный, например, на микросхеме AD8402AR10, представляет собой устройство для декодирования входных величин, выраженных в двоичном коде, в соответствующие им значения сопротивлений на каждом из двух выходов. Двухканальный ЦП может выполнять в аппаратуре разные функции, в том числе и функцию обычного переменного сопротивления и потенциометра. С выхода каждого канала можно получать 256 дискретных значений напряжений от одного эталонного источника напряжения U. Номинальные значения сопротивлений микросхем AD8402 могут быть 1 кОм, 10 кОм, 50 кОм и 100 кОм. Так, микросхема AD8402AR10 содержит два независимых канала управления переменными сопротивлениями по 10 кОм каждый. На каждом из двух выходов ЦП могут устанавливаться 256 программируемых дискретных значений номинального сопротивления.
На фиг.5 представлена функциональная схема управления одним из двух каналов потенциометра AD8402AR10.
x
WB
Количественная связь между входной управляющей величиной D (от микроконтроллера МК 9) цифрового потенциометра и величиной сопротивления R между средним («подвижным») выводом W и нижним выводом B (фиг.5) определяется следующим образом:
цп
WB
x
x
ва
w
R=R(D)=D/256·RR,
x
где D - число возможных градаций потенциометра,
вa
R - номинальное значение сопротивления потенциометра,
w
w
R - сопротивление среднего вывода потенциометра (R=50 Ом).
x
Величина D может принимать значения от 0 до 255, т.е. ЦП обеспечивает 256 градаций полного (номинального) сопротивления на выходе устройства.
эт
Если на верхний вывод А (фиг.5) подать эталонное напряжение U, то на выходе ЦП (вывод W) можно получать 256 одинаковых градаций этого напряжения.
Цифровой потенциометр AD8402AR10 состоит из 10 разрядного сдвигового регистра, схемы выбора адреса регулируемого сопротивления (в данной микросхеме их два), двух восьмиразрядных ключевых схем с фиксацией состояния на выходе каждого разряда и двух переменных сопротивлений, принимающих значения от 50 Ом до 10 кОм (через 39 Ом).
Управляющие входные числа поступают от микроконтроллера МК 9 в последовательном коде по трехпроводному стандартному интерфейсу (фиг.5): информация о коде числа, тактовые импульсы, сигнал разрешения прохождения информации в микросхему.
Срабатывание происходит по положительному фронту тактового импульса. Первым в информационной последовательности импульсов поступает младший разряд и т. д. Максимальная тактовая частота до 10 МГц.
Для повышения стабильности параметров широкополосного УПЧ 11 (13) после каждого ЦП 16 (17) включен повторитель напряжения ПН 14 (15) с очень высоким входным импедансом и очень низким, стабильным выходным сопротивлением. Повторитель напряжения ПН 14 (15) может быть выполнен на основе эмиттерного повторителя или на основе операционного усилителя.
пр
ЭТ
ЭТ
В начале по сигналу управления «У» от МК 9 устанавливается управляющее напряжение в середине U и равно U/128, а затем это управляющее напряжение можно увеличивать и уменьшать дискретно по соответствующим сигналам от МК 9.
Первый широкополосный УПЧ 11 и второй широкополосный УПЧ 13 во время переключения частот и в переходном процессе (на первом этапе) имеют одинаковые центральные частоты и одинаковые широкие полосы пропускания для повышения быстродействия.
узк
ШИР
На втором этапе после окончания переходного процесса и открытия ключа 12 центральные частоты настройки этих УПЧ 11 и 13 по сигналу управления от МК 9 через ЦП 16 (17) и ПН 14 (15) смещаются в противоположных направлениях на некоторую величину Δf (фиг.4). При этом общая полоса пропускания уменьшается и становится равной F=F-2Δf. Для этого сигналы управления от МК 9 поступают по шине 10 на входы первого ЦП 16 и второго ЦП 17, на выходах которых формируются управляющие напряжения, которые поступают соответственно через первый ПН 14 на управляющий вход первого широкополосного УПЧ 11 и через второй ПН 15 на управляющий вход второго широкополосного УПЧ 13.
После окончания времени приема информации от МК 9 на входы первого ЦП 16 и второго ЦП 17 поступают одинаковые коды, в результате чего центральные частоты первого широкополосного УПЧ 11 и второго широкополосного УПЧ 13 становятся одинаковыми и их суммарная полоса пропускания расширяется до исходного значения. Далее все повторяется, как описано выше.
Характерной особенностью и отличием предлагаемого приемного устройства является цифровая система управления смещением полос пропускания двух последовательно соединенных УПЧ 11 (13) от одного МК 9, в память которого записаны соответствующие коды. Результатом этого является высокая точность установки управляющих напряжений с малой дискретностью и высокое быстродействие, что также важно для быстродействующих систем связи.
Возможность осуществления предлагаемого устройства определяется тем, что вводимые блоки типовые и могут быть выполнены на широко известных микросхемах. Цифровой потенциометр может быть выполнен на микросхеме AD8402AR10 фирмы Analog Devices. Повторитель напряжения может быть выполнен на основе малошумящего эмиттерного повторителя или на основе повторителя напряжения на операционном усилителе типа ОР 27 фирмы Analog Devices. Ключевые устройства могут быть выполнены на микросхеме МС 14053В фирмы Motorolla. В качестве микроконтроллера МК 9 может использоваться микросхема C8051F220 фирмы Silicon Laboratories (CYGNAL).