СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ПРИЕМНИКОВ СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ ГЛОНАСС
METHOD AND DEVICE OF DIRECT FREQUENCY CONVERSION FOR GLONASS SATELLITE NAVIGATION RECEIVERS

Группа изобретений относится к области радиотехники и предназначена для применения в приемниках спутниковых навигационных систем с использованием прямого преобразования частоты.
Известно техническое решение (Патент РФ №2414042, Н02М 5/16, опубл. 10.03.2011), описывающее способ, в котором осуществляют перемножение входного сигнала и сигнала гетеродина; в устройстве аналога имеются смесители, гетеродин, расщепитель входного сигнала и расщепитель сигнала гетеродина. В устройство введены фазорасщепители входного сигнала и сигнала гетеродина на квадратурные проекции, косинусную и синусную. В качестве смесителя в данном устройстве используют четыре перемножителя - балансных смесителя, которые нагружают на первый (RH 1) и второй (RH 2) нагрузочные резисторы и связи между ними.
Недостатки аналога: способ формирования сигналов не позволяет достичь приемлемой помехустойчивости, а устройство обладает аппаратной избыточностью, которая приводит к ухудшению точностных характеристик, чувствительности, а также существенному усложнению конструкции в целом.
Наиболее близкими по технической сущности способом и устройством (прототипами) к заявляемой группе изобретений являются способ и устройство, реализованные в приемнике спутниковых навигационных систем (СНС) (В.Т. Поляков. Трансиверы прямого преобразования, ДОСААФ. 1984, стр. 22, 25, http://publ.lib.ru/ARCHIVES/P/POLYAKOV_Vladimir_Timofeevich/_Polyakov_ V.T..html).
Способ включает расщепление гетеродинного сигнала с частотой, равной половине частоты входного сигнала, на два парафазных сигнала, которые подают на затворы встречно-управляемых полевых транзисторов смесителя, перемножают с входным сигналом, далее преобразуют полученные сигналы фильтром нижних частот. Устройство прототипа включает смеситель с парой встречно-управляемых полевых транзисторов. К входу смесителя подключен блок управления с гетеродином, а к выходу - фильтр нижних частот.
Недостатки прототипа: описанный способ формирования сигналов не позволяет достичь приемлемой помехоустойчивости приемника, а наличие симметрирующих трансформаторов парафазного разделения гетеродинного сигнала крайне затрудняет микроминиатюрное исполнение смесителя, существенно усложняет конструкцию в целом, приводит к ухудшению точностных характеристик и чувствительности приемника.
Техническим результатом заявляемого технического решения (способа) является повышение помехоустойчивости приемника, улучшение его точностных характеристик и чувствительности.
Технический результат достигается тем, что способ прямого преобразования частоты для приемников спутниковой навигации ГЛОНАСС включает формирование парафазных напряжений гетеродина с помощью стандартного парафазного усилителя блока управления, расщепление гетеродинного сигнала с частотой, равной половине частоты входного сигнала на два парафазных сигнала, которые подают на затворы встречно-управляемых полевых транзисторов смесителя, перемножение на встречно-управляемых полевых транзисторах смесителя входного сигнала и сигнала гетеродина, преобразование полученных сигналов фильтром нижних частот. Причем перед встречно-управляемыми полевыми транзисторами смесителя реализуют двухстороннее ограничение сигнала, а частоту среза фильтра нижних частот увеличивают до 12 МГц.
Способ прямого преобразования частоты для приемника спутниковой навигации ГЛОНАСС осуществляется следующим образом. С помощью парафазного усилителя блока управления 2 формируются парафазные сигналы (напряжения) гетеродина 5 с частотой, равной половине частоты входного сигнала, их подают на затворы встречно-управляемых полевых транзисторов смесителя 1, входной сигнал и сигналы гетеродина перемножают на встречно-управляемых полевых транзисторах смесителя 1, далее преобразуют полученные сигналы фильтром нижних частот 4 (далее - ФНЧ). Перед встречно-управляемыми полевыми транзисторами смесителя 1 выполняют двухстороннее ограничение входного сигнала повторителем напряжения 3, а частоту среза ФНЧ 4 увеличивают до 12 МГц.
В отличие от прототипа, формирование в предложенном способе с помощью парафазного усилителя блока управления парафазных напряжений гетеродина, реализация двухстороннего ограничения входного сигнала перед встречно-управляемыми полевыми транзисторами смесителя, а также увеличение до 12 МГц частоты среза фильтра нижних частот позволяет повысить помехоустойчивость приемника, улучшить его точностные характеристики и чувствительность.
Техническим результатом заявляемого технического решения (устройства) является упрощение конструкции устройства.
Заявленный технический результат достигается тем, что устройство, реализующее предлагаемый способ, включает смеситель с парой встречно-управляемых полевых транзисторов, ко входу которого подключен блок управления, а выход которого соединен с фильтром нижних частот, к входу блока управления подключен гетеродин. Причем блок управления содержит парафазный усилитель, перед смесителем включают повторитель напряжения с парой встречно-параллельных диодов-ограничителей.
Сущность изобретений, их реализуемость и возможность промышленного применения поясняются чертежами.
На Фиг. 1 представлена блок-схема на встречно-управляемых полевых транзисторах.
На Фиг. 2 представлена структурная блок-схема прямого преобразования частоты для приемников спутниковой навигации ГЛОНАСС.
Устройство прямого преобразования частоты для приемников спутниковой навигации ГЛОНАСС содержит следующие блоки:
1 - смеситель;
2 - блок управления;
3 - повторитель напряжения;
4 - фильтр нижних частот;
5 - гетеродин.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит в смесителе 1 (Фиг. 1) пару встречно-управляемых полевых транзисторов. На вход смесителя 1 (Фиг. 2) подаются сигналы управления от блока 2 управления. Блок управления 2 содержит стандартный парафазный усилитель ( не показан). На блок управления 2 поступает сигнал от блока 5 гетеродина. Перед смесителем 1 включают повторитель 3 напряжения с парой встречно-параллельных диодов-ограничителей. Выход смесителя 1 подключен к фильтру 4 нижних частот (ФНЧ). Полосу пропускания ФНЧ 4 увеличивают до 12 МГц, которая включает спектр всех литерных частот ГЛОНАСС и спектр ПСП дальномерного кода.
В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве используется парафазный усилитель в блоке управления, перед смесителем включают повторитель напряжения с парой встречно-параллельных диодов-ограничителей, что позволяет предложенному техническому решению упростить конструкцию устройства.
Работа устройства, реализующего способ, осуществляется следующим образом.
При поступлении входного сигнала на повторитель 3 напряжения происходит его двустороннее ограничение. Далее этот сигнал подается на исток встречно-управляемых полевых транзисторов смесителя 1, одновременно на затворы подаются сигналы с блока 2 управления, представляющие собой два парафазных сигнала, которые получены расщеплением сигнала, поступившего с гетеродина (гетеродинный сигнал). Далее на встречно-управляемых транзисторах смесителя 1 происходит перемножение входного сигнала и сигналов гетеродина 5. Полученные сигналы преобразуются ФНЧ 4.
В предполагаемой схеме на Фиг. 2 для приемника ГЛОНАСС ФНЧ 4 должен выделить все множество поступивших на вход литерных частот с шагом 9/10=0,5625 МГц. Все литерные частоты ГЛОНАСС укладываются в диапазон 7,875 МГц. С учетом спектра дальномерного кода ГЛОНАСС, эту величину расширяют до 12 МГц характеристикой ФНЧ 4 (для общедоступного СТ сигнала - сигнала стандартной точности).
В справочной литературе приводится множество ФНЧ 4 с частотой среза, равной примерно 12 МГц (например, микроминиатюрные ПАВ-фильтры). Неравномерность ФЧХ и АЧХ вблизи частот среза ФНЧ 4 обычно нормируется и не превышает 3 дБ.
Поскольку аналог любого ФНЧ 4 - это последовательность RC интегрирующих звеньев (или RCC звеньев), то сигнал с выхода смесителя 1 на встречно-управляемых транзисторах с частотой сложных импульсов 1602 МГц будет накапливаться на емкостях ФНЧ 4.
Ширина спектра импульсов на выходе смесителя 1 составляет 1602 МГц (по первым нулям). Частота среза ФНЧ 4 выбрана в значении 12 МГц. При этом мощность шумов в сигнале в полосе 1 Гц (спектральная плотность мощности) определяется шумовой температурой смесителя 1 и не меняется при последующих преобразованиях смеси сигнала с шумом.
В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве блок управления содержит парафазный усилитель, перед смесителем 1 включают повторитель 3 напряжения с парой встречно-параллельных диодов-ограничителей. В качестве такого повторителя 3 напряжения может быть использован эмиттерный или истоковый повторитель. Коэффициент передачи повторителя 3 напряжения по напряжению близок к единице, а по току - определяется отношением сопротивления в эмиттере (истоке), что равно 1000 Ом к волновому сопротивлению радиочастотного фильтра (РЧФ) (примерно 75 Ом), это составляет 22,5 дБ по мощности. Повторитель 3 напряжения, нагрузка которого через разделительную емкость шунтирована парой встречно-параллельных диодов, ограничивает мощные помехи в сигнале.
Перемножение входного сигнала с гетеродинным сигналом ожидаемой частоты 2·801 МГц выполняет функцию (совместно с ФНЧ 4) коррелятора в широкой полосе частот, выходной спектр которого содержит все литерные частоты ГЛОНАСС. Выходной спектр расширен до частоты среза ФНЧ 4 - 12 МГц и включает спектр дальномерного кода и частотную подставку 6,135 МГц=1602 - 2·78·10,23, где 10,23 Мгц - частота единого опорного кварцевого генератора для GPS и ГЛОНАСС. В частотную подставку также входит частота 15 кГц, обеспечивающая однозначное измерение доплеровского сдвига частоты сигнала.
Эквивалентная схема любого ФНЧ 4 может быть представлена последовательным соединением инерционных звеньев RC (или RLC). На емкостях этих звеньев происходит накопление амплитуд импульсов сигнала с выхода смесителя 1. Это накопление составляет 1602/12=133,5 раза - 21,25 дБ по напряжению (42,5 дБ по мощности).
Если учесть нормальное входное отношение S/N в 25-27 дБ, то суммарное отношение S/N на входе бинарного квантователя вычислителя приемника ГЛОНАСС может достичь 90-92 дБ. Это означает, что МШУ (малошумящий усилитель) в предлагаемый аналоговый тракт включать не требуется.
Данные способ и устройство прямого преобразования частоты можно реализовать в приемниках спутниковой навигации ГЛОНАСС.
Таким образом, существенные признаки предложенной группы изобретений позволяет повысить помехоустойчивость приемника спутниковой навигации ГЛОНАСС, улучшить точностные характеристики и чувствительность устройства, а также упростить его конструкцию.