Многоканальное радиоприёмное устройство с расширенным частотным диапазоном приема
MULTICHANNEL RADIO SET WITH EXTENDED FREQUENCY RANGE OF RECEPTION

Изобретение относится к области техники приема и обработки радиосигналов и может быть использовано для создания перспективных радиосредств с программируемой архитектурой и цифровой обработкой сигналов непосредственно на радиочастоте для обеспечения эффективной по стоимости и мощности потребления многоканальной радиосвязи в расширенном частотном диапазоне приема.
Такие тракты описаны, например, в книгах «Software Radio: Sampling Rate Selection, Design and Synchronization», Springer, 2012, pp.131 авторов Elettra Venosa, Fredric J. Harris и Francesco A.N. Palmieri, «Undersampling techniques simplify digital radio», Electronic Design, Vol. 39, May 23, 1991, No. 10, pp.67, 68, 70, 73-75, 78 авторов Richard Groshong и Stephen Ruscar, и «Software Defined Radios: From Smart(er) to Cognitive)), 1st Ed, Springer, 2009, pp.139 авторов Sofie Pollin, Michael Timmers, Liesbet Van der Perre.
Сущность таких устройств заключается в осуществлении аналого-цифрового преобразования (АЦП) на радиочастоте, а также в применении различных методов изменения частотного режима работы аналого-цифрового тракта (АЦТ) для приема на частотах из непрерывного диапазона, перекрывающего несколько полос Найквиста, что позволяет уменьшить стоимость и мощность потребления радиоприемного устройства.
В существующих аналогах [1-3] изменение частоты дискретизации в соответствии с частотой основного канала приема (ОКП) функционально ограничивает многоканальность приемного тракта вследствие необходимости использовать различные частоты дискретизации для приема на разных частотах. Кроме того, для изменения частоты дискретизации необходимо время, что в любом случае снижает предельно достижимое быстродействие (время перестройки с частоты на частоту) радиоприемного устройства.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому, является устройство, описанное в статье [4], принятое за прототип.
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства-прототипа, где обозначено:
1 - блок входных цепей и преселектора;
3 - формирователь размывающего сигнала;
4 - сумматор;
6 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
10 - перестраиваемый источник частоты дискретизации;
11 - цифровой приемный тракт;
13 - преобразователь частоты дискретизации;
16 - демодулятор.
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные блок входных цепей и преселектора 1, сумматор 4, АЦП 6, цифровой приемный тракт 11, преобразователь частоты дискретизации 13 и демодулятор 16, выход которого является информационным выходом устройства; а также формирователь размывающего сигнала 3, выход которого соединен со вторым входом сумматора 4; и перестраиваемый источник частоты дискретизации 10, выход которого соединен с тактовым входом АЦП 6. При этом вход блока входных цепей и преселектора 1 является входом устройства.
Устройство-прототип работает следующим образом.
Входной радиочастотный сигнал поступает на вход радиоприемного устройства и проходит через блок входных цепей и преселектора 1, в котором происходит его усиление и ослабление сигналов на частотах побочных каналов приема (ПКП). С выхода блока 1 принимаемый сигнал поступает на первый вход сумматора 4. На второй вход сумматора поступает сигнал с выхода формирователя размывающего сигнала 3. С выхода сумматора 4 сигнал поступает на сигнальный вход АЦП 6, на тактовый вход которого поступает сигнал с частотой дискретизации.
d min
d max
d max
вх min
вх max
Для формирования частоты дискретизации применяется перестраиваемый источник частоты дискретизации 10 с диапазоном формируемых частот, ограниченным интервалом [ƒ …ƒ], где ƒ - частота дискретизации, недостаточная для размещения всего диапазона центральных частот ОКП ƒ …ƒ в нулевой полосе Найквиста.
Квантованные отсчеты сигнала после АЦП 6 поступают в цифровой приемный тракт 11, где осуществляется фильтрация, перенос сигнала на нулевую частоту и децимация для понижения частоты дискретизации. Затем сигнал проходит через преобразователь частоты дискретизации 13, осуществляющий приведение частоты дискретизации цифрового сигнала к фиксированному значению и обеспечивающий заданный динамический диапазон. Далее, преобразованный сигнал поступает на вход демодулятора 16, в котором происходит принятие решения о приеме сигнала. Принятая информация поступает на выход радиоприемного устройства.
Под влиянием растущих требований к быстродействию, стоимости и мощности потребления радиоприемного устройства при его проектировании возникает необходимость принимать сигналы в диапазоне частот, занимающем более одной полосы Найквиста.
Недостатками устройства-прототипа являются:
1) наличие функциональных ограничений на реализацию многоканального приема в непрерывном диапазоне рабочих частот по причине необходимости перестройки частоты дискретизации для приема на разных частотах;
2) необходимость использования перестраиваемого источника частоты дискретизации снижает скорость настройки радиоприемного устройства на частоту приема, что снижает помехозащищенность радиолинии передачи информации.
Задачей изобретения является реализация многоканального радиоприемного устройства с расширенным частотным диапазоном приема без перестраиваемых источников частоты дискретизации.
Достигаемый технический результат - расширение частотного диапазона многоканального приема и увеличение скорости перестройки частот приема.
Для решения поставленной задачи в радиоприемное устройство, содержащее последовательно соединенные первый блок входных цепей и преселектора, первый сумматор, первый АЦП, цифровой приемный тракт первого канала приема, преобразователь частоты дискретизации первого канала приема; а также формирователь размывающего сигнала, первый выход которого соединен со вторым входом первого сумматора, и первый демодулятор, выход которого является информационным выходом устройства, при этом вход первого блока входных цепей и преселектора является входом устройства, согласно изобретению дополнительно введены последовательно соединенные второй блок входных цепей и преселектора, второй сумматор и второй АЦП, причем второй вход второго сумматора соединен со вторым выходом формирователя размывающего сигнала, вход второго блока входных цепей и преселектора соединен с входом устройства, кроме того, первый и второй неперестраиваемые источники частоты дискретизации, формирующие частоты дискретизации  и  соответственно, выходы которых соединены с тактовыми входами первого и второго АЦП соответственно; а также N-1 цифровых приемных трактов первого канала приема, входы которых соединены с выходом первого АЦП, N-1 преобразователей частоты дискретизации первого канала приема, входы которых соединены с соответствующими выходами N-1 цифровых приемных трактов первого канала приема, коммутатор с N+K входами и М выходами, М-1 демодуляторов, входы которых соединены с соответствующими выходами коммутатора, а выходы являются информационными выходами радиоприемного устройства; кроме того, введены К цифровых приемных трактов второго канала приема, входы которых соединены с выходом второго АЦП, К преобразователей частоты дискретизации второго канала приема, входы которых соединены с соответствующими выходами К цифровых приемных трактов второго канала приема, а выходы - с соответствующими К входами коммутатора.
Функциональная схема заявляемого устройства представлена на фиг. 2, где обозначено:
1 - первый блок входных цепей и преселектора;
2 - второй блок входных цепей и преселектора;
3 - формирователь размывающего сигнала;
4 - первый сумматор;
5 - второй сумматор;
6 - первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
7 - второй АЦП;
8 - первый неперестраиваемый источник частоты дискретизации;
9 - второй неперестраиваемый источник частоты дискретизации;
11.1-11.N - с первого по N-й цифровой приемный тракт первого канала приема;
12.1-12.K - с первого по K-й цифровой приемный тракт второго канала приема;
13.1-13.N - с первого по N-й преобразователь частоты дискретизации первого канала приема;
14.1-14.K - с первого по K-й преобразователь частоты дискретизации второго канала приема;
15 - коммутатор;
16.1-16.М - с первого по М-й демодулятор.
Заявляемое устройство содержит блок входных цепей и преселектора 1, вход которого является входом устройства, а выход соединен с первым входом сумматора 4, выход которого соединен с сигнальным входом первого АЦП 6, выход которого соединен с входами N цифровых приемных трактов первого канала приема 11.1…11.N, выходы которых соединены с входами соответствующих N преобразователей частоты дискретизации первого канала приема 13.1…13.N, выходы которых соединены с соответствующими N входами коммутатора 15. Блок входных цепей и преселектора 2, вход которого соединен с входом устройства, а выход соединен с первым входом сумматора 5, выход которого соединен с сигнальным входом второго АЦП 7, выход которого соединен с входами К цифровых приемных трактов второго канала приема 12.1…12.K, выходы которых соединены с входами соответствующих К преобразователей частоты дискретизации второго канала приема 14.1…14.K, выходы которых соединены с соответствующими К входами коммутатора 15. Выходы коммутатора 15 соединены с входами соответствующих М демодуляторов 16.1…16.М, выходы которых являются информационными выходами устройства. А также формирователь размывающего сигнала 3, первый и второй выходы которого соединены со вторыми входами первого и второго сумматоров 4 и 5 соответственно. Выход первого неперестраиваемого источника частоты дискретизации 8 соединен с тактовым входом первого АЦП 6, а выход второго неперестраиваемого источника частоты дискретизации 9 соединен с тактовым входом второго АЦП 7.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
вх min
вх min
Входной радиочастотный сигнал поступает на вход радиоприемного устройства и одновременно проходит через первый и второй блоки входных цепей и преселектора 1 и 2, в которых происходит его усиление и ослабление сигналов на частотах соответствующих побочных каналов приема (ПКП). С выхода блоков 1 и 2 принимаемый сигнал поступает на первые входы первого и второго сумматоров 4 и 5 соответственно. На вторые входы первого и второго сумматорров 4 и 5 поступает сигнал соответственно с первого и второго выходов формирователя размывающего сигнала 3. С выходов первого и второго сумматоров 4 и 5 сигнал поступает соответственно на сигнальные входы первого и второго АЦП 6 и 7, на тактовые входы которых поступают соответствующие сигналы с частотой дискретизации. Для формирования частоты дискретизации применяются отдельные неперестраиваемые источники частоты дискретизации 8 и 9, с частотами  и , недостаточными для размещения всего диапазона частот приема ƒ…ƒ в нулевой полосе Найквиста.
Квантованные отсчеты сигнала после первого АЦП 6 одновременно поступают в цифровые приемные тракты первого канала 11.1-11.N с частотами настройки, выбранными в частотном диапазоне  или , а после второго АЦП 7 одновременно поступают в цифровые приемные тракты второго канала 12.1-12.K с частотами настройки, выбранными в частотном диапазоне , где осуществляется фильтрация, перенос сигнала на нулевую частоту и децимация для понижения частоты дискретизации до соответствующего значения. Затем сигнал проходит через соответствующие преобразователи частоты дискретизации: через блоки 13.1-13.N для первого канала и 14.1-14.K для второго, в которых осуществляется приведение частоты дискретизации цифрового сигнала к соответствующему фиксированному значению и обеспечивается заданный динамический диапазон. Далее преобразованные сигналы поступают на соответствующие входы коммутатора 15, который коммутирует их на соответствующие демодуляторы 16.1-16.М, в которых происходит принятие решения о приеме сигнала. Принятая информация поступает на соответствующие выходы радиоприемного устройства.
К несомненным преимуществам такой реализации устройства относится возможность многоканального приема в непрерывном диапазоне рабочих частот, перекрывающем более одной полосы Найквиста, и увеличение скорости настройки радиоприемного устройства на частоты рабочих частот, перекрывающем более одной полосы Найквиста, и увеличение скорости настройки радиоприемного устройства на частоты приема, поскольку в предлагаемом устройстве применяются неперестраиваемые источники частот дискретизации.
Реализация блоков 1, 3-4, 6 заявляемого устройства аналогична блокам устройства-прототипа и может быть выполнена, в соответствии с монографией: Пауль Хоровиц и Уинфилд Хилл. «Искусство схемотехники». В 2-х томах. Москва, Мир, 1986 г. Реализация введенных блоков 2, 5, 7, 11.1-11.N, 12.1-12.K, 13.1-13.N и 16.1-16.М аналогична реализации блоков 1, 4, 6, 11, 12, 13 и 16 устройства-прототипа соответственно и также может быть выполнена в соответствии с вышеуказанной монографией. Реализация введенных блоков 14.1-14.K аналогична реализации блока 14 устройства-прототипа и может быть выполнена в соответствии со статьей: Маковий В.А. Плавное преобразование частоты дискретизации в программно-определяемых радиосредствах / В.А. Маковий, С.А. Ермаков // Теория и техника радиосвязи. - 2015. - №2. - С. 53-65; Ермаков С.А. Применение каскадных интерполяторов для плавного изменения частоты дискретизации // Теория и техника радиосвязи. - 2015. - №2. - С. 34-43.
Реализация блоков 8 и 9 известна и также описана в монографии: Пауль Хоровиц и Уинфилд Хилл. «Искусство схемотехники». В 2-х томах. Том 1. Москва, Мир, 1986 г., стр. 270-281.
Реализация блока 15 известна, является обычной инженерной задачей и описана в монографии: Пауль Хоровиц и Уинфилд Хилл. «Искусство схемотехники». В 2-х томах. Том 1. Москва, Мир, 1986 г., стр. 529-539.
Приведем доказательство эффективности работы заявляемого устройства.
В условиях жестких ограничений по стоимости и мощности потребления радиоприемного устройства для обеспечения многоканального приема в расширенном частотном диапазоне и увеличения скорости перестройки частот приема задача была определена как реализация многоканального радиоприемного устройства с расширенным частотным диапазоном приема без перестраиваемых источников частоты дискретизации.
В соответствии с задачей было реализовано радиоприемное устройство, в котором для тактирования АЦП применяются неперестраиваемые источники частоты дискретизации, чем обеспечивается, во-первых, скорость перестройки частот приема, во-вторых, возможность приема в нескольких каналах, расположенных в непрерывном диапазоне частот, перекрывающем несколько полос Найквиста с заданным уровнем избирательности по побочным каналам приема.
d min
d max
вх min
вх max
d max
вх min
01
11
12
01
11
d var
d max
12
вх max
Для обеспечения минимального потребления в устройстве-прототипе при приеме на различных входных частотах применяется АЦП с изменяемой частой дискретизации [ƒ…ƒ], недостаточной для размещения всего диапазона центральных частот ОКП ƒ…ƒ в нулевой полосе Найквиста, как показано на фиг. 3,а. Частотные интервалы диапазона центральных частот ОКП, в которых обеспечивается достаточное расстояние между ОКП и ближайшим ПКП, показанные на фиг. 3,б, расположены в соседних (нулевой и первой) полосах Найквиста. Радиочастотные входные сигналы в этих полосах преобразуются в цифровую форму с фиксированной частотой дискретизации ƒ, и теоретически возможна реализация приема на нескольких каналах, однако при таком построении тракта приема невозможно обеспечить отсутствие частотных наложений в непрерывном диапазоне частот. Для их уменьшения в устройстве-прототипе применяется изменение частотного режима работы АЦТ при приеме на различных входных частотах. Рассматриваемый тракт в режиме фиксированной частоты дискретизации осуществляет прием частотных полос ƒ…ƒ, ƒ…ƒ фиг. 3,б. Для преобразования в цифровую форму сигналов, частота которых попадает в полосу ƒ…ƒ, показанную на фиг. 3,в, используется плавно изменяемая частота дискретизации ƒ≤ƒ [1]. При этом принимаемый сигнал остается в первой полосе Найквиста. Для преобразования в цифровую форму сигналов, частота которых попадает в полосу ƒ…ƒ, показанную на фиг. 2,в, также используется плавно изменяемая частота дискретизации, но ОКП располагается во второй полосе Найквиста.
Следовательно, в прототипе изменение частоты дискретизации в соответствии с частотой ОКП функционально ограничивает многоканальность приемного тракта и скорость перестройки частоты приема.
При введении в состав приемного устройства блоков 2, 5, 7, 8, 9, 11.1-11.N, 12.1-12.K, 13.1-13.N, 14.1-14.K, 15, 11.1-11.М получим, что выбрав частоты дискретизации для первого 6 и второго 7 АЦП в соответствии с известной методикой определения частотных режимов с дискретным множеством дополнительных частот, обеспечивающей максимально возможное минимальное расстояние от ОКП до ПКП на заданном интервале приема [2, 3], радиочастотные входные сигналы в первом АЦП 6 преобразуются в цифровую форму с фиксированной частотой дискретизации , в результате чего образуются частотные интервалы приема, в которых возможно задать до N каналов приема, что показано на фиг. 4,б, и расположенные в соседних (нулевой и первой) полосах Найквиста, а радиочастотные входные сигналы во втором АЦП 7 преобразуются в цифровую форму с фиксированной частотой дискретизации , в результате чего образуются частотные интервалы приема, в которых возможно задать до K каналов приема, что показано на фиг. 4,в, и расположенные с нулевой по вторую полосу Найквиста. Соответственно, центральные частоты каналов приема, задаваемые в цифровых приемных трактах 11.1-11.N, выбираются из диапазона  и , а каналы приема для цифровых приемных трактов 12.1-12.K выбираются из диапазона . Путем коммутации принятых сигналов, преобразованных к фиксированной частоте дискретизации на соответствующие демодуляторы, становится возможным обеспечить прием на М каналах из непрерывного диапазона частот приема (фиг. 4,а-в).
d max
Таким образом, в заявляемом устройстве при независимой реализации приема с применением двух частот дискретизации, может быть осуществлен многоканальный прием радиосигналов в полосе, большей, чем полоса Найквиста при использовании частоты дискретизации ƒ, а отсутствие необходимости переключения частотных режимов работы АЦП обеспечивает максимальную для данной элементной базы скорость изменения частоты настройки радиоприемного тракта.
d1
d2
d max
В частном случае, например, для реализации многоканального радиоприемного устройства с диапазоном принимаемых частот 1,5-108 МГц, в котором для уменьшения стоимости и мощности потребления применены распространенные АЦП с максимальной частотой дискретизации ƒ=122,88 МГц, в соответствии с изобретением, частота дискретизации ƒ должна равняться 81,92 МГц, что позволит осуществлять многоканальный прием в непрерывных диапазонах 1,5…71,68 МГц или 51,2…108 МГц с максимальной для данной элементной базы скоростью изменения частоты настройки радиоприемного тракта. Полученные диапазоны многоканального приема перекрывают нулевую и первую полосы Найквиста соответственно при использовании максимальной частоты дискретизации ƒ=122,88 МГц.
Тогда, в этом конкретном случае, в заявляемом радиоприемном устройстве ширина непрерывного диапазона частот, в котором может осуществляться многоканальный прием, шире более чем на 15%.
Это позволяет осуществлять прием сигналов в М каналах, расположенных в непрерывном диапазоне частот, перекрывающем более одной полосы Найквиста, без необходимости перестройки частот дискретизации в зависимости от частоты приема.
Следовательно, заявляемое радиоприемное устройство обеспечивает многоканальный прием в расширенном непрерывном частотном диапазоне и увеличение скорости перестройки частот приема.
Литература
1. Маковий В.А. Увеличение избирательности по побочным каналам приема в программно-определяемых радиосредствах / В.А. Маковий, С.А. Шкуров // Радиотехника. - 2013. - №12. - С. 66-76.
2. Маковий В.А. Расширение частотного диапазона аналого-цифровых трактов методом цифровой коррекции / В.А. Маковий, С.А. Ермаков // Теория и техника радиосвязи. - 2013. - №3. - С. 59-66.
3. Маковий В.А., Ермаков С.А. Расширение частотного диапазона радиоприемных устройств при использовании двух частот дискретизации / B.А. Маковий, С.А. Ермаков // Теория и техника радиосвязи. - 2013. - №4. - C. 11-16.
4. Ермаков С.А. Радиоприемник с расширенным непрерывным диапазоном принимаемых частот // XXI Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь»: сб. докладов / Воронеж. НПФ «Саквоее» ООО. - Воронеж, 2015. - С. 882-892.