ШИРОКОПОЛОСНОЕ МНОГОКАНАЛЬНОЕ РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО КВ ДИАПАЗОНА

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использовано в аппаратуре широкополосных систем многоканальной связи KB диапазона частот.
Известно радиоприемное устройство KB диапазона, содержащее фильтр нижних частот (ФНЧ), первый и второй смесители, первый и второй полосовые фильтры, ступенчатый аттенюатор, причем выход ступенчатого аттенюатора подключен к первому входу второго смесителя, выход которого подключен ко входу ФНЧ. (см. CDR-3374 HF Broadband Precision Tuner. Technical Specification. CDR-3374 Block Diagram. http://www.cubic.com/cdal/pdf/CDR-3374.pdf) [1].
Недостатком известного устройства является отсутствие преселектора на входе, из-за чего возможна перегрузка аналоговой части тракта. Другими недостатками являются высокая сложность (два преобразования частоты) и ограниченная полоса обрабатываемых частот, равная 4 МГц. Во многих случаях требуется контролировать весь KB диапазон, что составляет порядка 30 МГц.
Известно, также, радиоприемное устройство, содержащее преселектор, смеситель, гетеродин и усилитель промежуточной частоты, причем выход гетеродина соединен со вторым входом смесителя, выход которого соединен со входом усилителя промежуточной частоты (см. Радиоприемные устройства / Ю.Т.Давыдов, Ю.С.Данич, А.П.Жуковский и др.; под ред. А.П.Жуковского. - М.: Высшая школа, 1989. стр.9, рис.1.5) [2].
Недостатком данного устройства является невозможность многоканального приема, вследствие отсутствия необходимых технических средств. Другим недостатком является узкая полоса принимаемых частот, ограниченная фиксированной полосой преселектора.
Известно, также, радиоприемное устройство, содержащее, первый смеситель, первый гетеродин, первый усилитель промежуточной частоты и второй смеситель, причем выход первого смесителя через первый усилитель промежуточной частоты соединен с первым входом второго
смесителя (см. Справочник по учебному пректированию приемно-усилительных устройств / М.К.Белкин, В.Т.Белинский, Ю.Л.Мазор, P.M.Терещук. - 2-е изд. - К.: Выща шк., 1988. с.377, рис.13.4) [3].
Недостатком данного устройства является невозможность многоканального приема, вследствие отсутствия необходимых технических средств. Другим недостатком является высокая сложность реализации перестраиваемого в широкой полосе преселектора, а также наличие двух преобразований частоты, что усложняет подавление комбинационных частот.
Известно также широкополосное радиоприемное устройство KB диапазона, содержащее усилитель с переменным усилением, фильтр нижних частот, ключ, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), генератор частоты дискретизации, интерфейс USB и ПЭВМ, причем выход генератора частоты дискретизации подключен ко входу АЦП и тактовому входу цифрового синтезатора частоты, а выход ФНЧ через ключ подключен ко входу АЦП. (см. Aquila Wideband HF Receiver. SDR Block Diagram. http://www.monteriallc.com/downloads/Aquila.pdf) [4] - прототип.
Известное радиоприемное устройство было выбрано в качестве прототипа как совпадающее с заявляемой полезной моделью по большинству технических признаков.
Недостатками известного устройства является невозможность реализации многоканального приема ввиду отсутствия необходимых технических средств, а также недостаточно широкий динамический диапазон ввиду отсутствия предварительной аналоговой селекции.
Требование многоканальности приема обусловлено большим количеством узкополосных излучений в диапазоне КВ. Поскольку АЦП данного диапазона частот с требуемым динамическим диапазоном весьма дороги, то использование одного канала цифрового приема на один АЦП не оправдано экономически. Кроме того, поскольку сигналы в KB диапазоне частот занимают узкую (не более нескольких килогерц) полосу частот, то ресурсы цифровой части приемника используются неэффективно.
Поскольку динамический диапазон сигналов в KB диапазоне весьма широк и существенно зависит от региона и времени суток, актуальным является предварительная частотная селекция определенных участков диапазона для обеспечения максимального качества приема.
В известном устройстве указанные операции не реализуются.
Предлагается полезная модель широкополосного многоканального радиоприемного устройства KB диапазона, не имеющая указанных недостатков.
Техническим результатом является обеспечение многоканального приема сигналов в широкой полосе частот, а также повышение помехоустойчивости за счет возможности предварительной частотной селекции сигналов.
Технический результат достигается за счет:
- введения дополнительных каналов цифровой обработки сигналов, подключаемых к выходу АЦП и обеспечивающих увеличение количество каналов цифрового приема.
- введения на входе переключаемого преселектора, обеспечивающего повышение помехоустойчивости приема за счет подавления помех.
Широкополосное многоканальное радиоприемное устройство KB диапазона содержит усилитель с переменным усилением, ФНЧ, АЦП, генератор частоты дискретизации, первый канал цифровой обработки (КЦО), ключ, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), блок интерфейса USB и ПЭВМ, причем выход усилителя с переменным усилением через ФНЧ соединен со входом АЦП, выход генератора частоты дискретизации соединен с тактовыми входами АЦП и КЦО, выход АЦП соединен с сигнальным входом КЦО, комплексный выход которого соединен с первым входом ключа, выход которого соединен со входом ОЗУ, первый порт блока интерфейса USB соединен с ПЭВМ.
Согласно полезной модели в широкополосное многоканальное радиоприемное устройство KB диапазона введены переключаемый преселектор и КЦО с 2 по М, причем входом устройства является вход переключаемого преселектора, выход которого соединен со входом усилителя с переменным усилением, управляющий вход которого соединен со вторым портом блока интерфейса USB, с управляющим входом преселектора и с управляющими входами КЦО со 2 по М, сигнальные входы которых соединены с выходом АЦП, а комплексные выходы соединены с соответствующими входами ключа, выход ОЗУ соединен с третьим портом блока интерфейса USB.
На фиг.1 приведена функциональная схема полезной модели. На фиг.2 приведен вариант реализации КЦО. На фиг.3 приведен участок спектра, в котором расположены принимаемые сигналы.
Заявляемое устройство содержит вход 1, преселектор 2, усилитель с переменным усилением 3, ФНЧ 4, АЦП 5, генератор частоты
дискретизации 6, КЦО с первого по М 7, ключ 8, ОЗУ 9, блок интерфейса USB 10, ПЭВМ 11.
Вход переключаемого преселектора 2 является входом 1 устройства, его выход через усилитель 3 с переменным усилением и ФНЧ 4 соединен со входом АЦП 5. Тактовый вход АЦП 5 соединен с выходом генератора частоты дискретизации 6 и с тактовыми входами всех КЦО 7, сигнальные входы которых соединены с выходом АЦП 5, а управляющие входы соединены с управляющим входом преселектора 2, управляющим входом усилителя 3 и со вторым портом блока интерфейса USB 10. Выходы КЦО 7 с первого по М соединены со входами ключа 8, выход которого соединен со входом ОЗУ 9, выход которого соединен с третьим портом блока интерфейса USB 10. Первый порт блока интерфейса USB 10 соединен с ПЭВМ 11.
Вариант реализации КЦО 7 в заявляемом устройстве содержит первый и второй перемножители 12, синтезатор прямого синтеза (СПС) 13, сдвоенный каскадируемый интегрирующий-гребенчатый (в оригинале: Cascaded Integrator Comb) (CIC) фильтр 14, сдвоенный фильтр с конечной импульсной характеристики (КИХ) 15 и сдвоенное устройство прореживания выборок 16.
Первые входы первого и второго перемножителей 12 объединены и являются входом КЦО 7, вторые входы соединены с выходами вещественной и мнимой части опорного сигнала СПС 13, соответственно. Выходы перемножителей 12 через сдвоенный CIC фильтр 14 и сдвоенный КИХ фильтр 15 соединены с соответствующими входами сдвоенного устройства прореживания выборок 16. Выходы вещественной и мнимой части устройства прореживания выборок 16 являются выходами КЦО 7.
Устройство работает следующим образом.
На вход переключаемого преселектора 2 поступает групповой спектр, содержащий большое количество отдельных сигналов. Переключаемый преселектор имеет набор полос пропускания в соответствии с электромагнитной обстановкой. В качестве примера приведено разбиение входного диапазона частот от 0.1 до 32 МГц на 6 полос:
1)0.1-2.5 МГц;
2) 2.5 - 4.8 МГц;
3)4.8-9.0 МГц;
4) 9.0-17.0 МГц;
5) 17.0-32.0 МГц;
6) 0.1-32.0 МГц.
Видно, что первые 5 значений выбраны исходя из распределения спектральной мощности сигналов и помех в указанном диапазоне частот [5]. Шестой фильтр пропускает всю рабочую полосу частот и используется при необходимости приема сигналов во всей полосе. Управление полосой преселектора осуществляется из ПЭВМ через второй порт блока интерфейса USB.
ФНЧ
Сигнал с выхода преселектора 2 поступает на усилитель 3, коэффициент усиления которого также задается через второй порт блока интерфейса USB. Коэффициент передачи усилителя 3 выбирается из условия обеспечения оптимального уровня сигнала на входе АЦП 5. Выходной сигнал усилителя 3 поступает на АЦП 5 через ФНЧ 4, частоты подавления которого F (см. фиг.4) определяет, в соответствии с теоремой Котельникова, минимальное значение частоты дискретизации АЦП 5. Сигнал частоты дискретизации Fd формируется в генераторе 6 и используется для синхронизации АЦП 5 и всех КЦО 7.
Групповой цифровой сигнал с выхода АЦП поступает на входы КЦО 7, где подается в квадратурный преобразователь, выполненный на двух перемножителях 12. Здесь вещественный цифровой сигнал Sвx(kT) перемножается с комплексным опорным сигналом Sr(kT)=cos(ωkT)+j·sin(ωkT), где T=1/Fd, k=0, 1, 2, ... - номер такта, ω - частота настройки КЦО.
F
Комплексный опорный сигнал формируется цифровым СПС 13. Частота формируемого сигнала определяется целым числом К, записываемым а аккумулятор фазы СПС и определяемым из формулы:  где L - количество разрядов аккумулятора фазы СПС.
Таким образом, цифровой синтезатор формирует сигнал с частотой, равной центральной частоте принимаемого сигнала. Далее комплексный сигнал подается на сдвоенный CIC фильтр 14, осуществляющий предварительную частотную селекцию и децимацию. Затем сигнал поступает в КИХ фильтр 15, где осуществляется основная селекция сигнала и подавление внеполосных компонентов в спектре. Сигнал на выходе фильтра подается в устройства прореживания выборок 16 для уменьшения скорости выходного потока.
m
Предлагаемое устройство содержит М КЦО 7, каждый из которых настраивается на центральную частоту выбранного сигнала ω, где
m=1,2...M (фиг.3). Команды настройки по частоте поступают из ПЭВМ 11 через первый, а затем второй порты блока интерфейса USB 10.
Возможны различные варианты функциональной реализации КЦО. Многие мировые производители элементной базы цифровой обработки сигналов (ЦОС) выпускают микросхемы для реализации цифровой части приемников. В качестве примеров можно привести микросхемы AD6624 и AD6634 фирмы Analog Deveces, GC4014 и GC4016 фирмы Graychip, IP ядра для программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) фирмы Xilinx, а также вариант реализованный в прототипе и приведенный на фиг.2. Отличия указанных вариантов построения КЦО состоят, как правило, в реализации квадратурного преобразователя (с преобразователем Гильберта или без него), а также цифрового фильтра основной селекции. Он может строиться с использованием CIC фильтров, рекурсивных, нерекурсивных фильтров, а также различных их комбинаций [6, 7].
Следует отметить, что при реализации КЦО в ПЛИС, появляется дополнительная возможность повышения числа каналов за счет реализации конвейерной обработки и использования распределенных во времени вычислений.
Сигналы с выходов КЦО 7 подаются на соответствующие входы ключа 8. Поскольку сигналы подверглись прореживанию в КЦО, ключ 8 по очереди коммутирует на свой выход сигналы с каждого из М КЦО 7.
Каждый из сигналов записывается в отведенную область ОЗУ 9, которое служит буфером, предотвращающим разрывы сигнала при передаче его в ПЭВМ 11 через третий, а затем первый порты блока интерфейса USB 10. Емкость ОЗУ 9 выбирается исходя из количества КЦО и скорости передачи информации. Типичное значение при использовании USB версии 2.0 (в режиме High Speed) [8] и приеме сигналов с полосой 4 кГц составляет не более 256 комплексный отсчетов на канал.
Введение в устройство дополнительных каналов цифровой обработки сигналов, подключаемых к выходу АЦП и обеспечивающих увеличение количества каналов цифрового приема, а также переключаемого преселектора, обеспечивающего повышение помехоустойчивости приема за счет подавления помех обеспечивает достижение технического результата - обеспечение многоканального приема сигналов в широкой полосе частот, а также повышение помехоустойчивости за счет возможности предварительной частотной селекции сигналов.
Список источников
1. CDR-3374 HF Broadband Precision Tuner. Technical Specification. CDR-3374 Block Diagram. http://www.cubic.com/cdal/pdf/CDR-3374.pdf.
2. Радиоприемные устройства / Ю.Т.Давыдов, Ю.С.Данич, А.П.Жуковский и др.; под ред. А.П.Жуковского. - М.: Высшая школа, 1989.
3. Справочник по учебному пректированию приемно-усилительных устройств / М.К.Белкин, В.Т.Белинский, Ю.Л.Мазор, P.M.Терещук. - 2-е изд. - К.: Выща шк., 1988.
4. Aquila Wideband HF Receiver. SDR Block Diagram.  - прототип.
5. Ред Э.Т. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: схемы, блоки, 50-омная техника // Пер. с нем. - М.: Мир, 1990.
6. Гольденберг Л.М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. Цифровая обработка сигналов: Справочник. - М.: Радио и связь, 1985.
7. Солонина А.И., Улахович Д.А., Арбузов С.М., Соловьева Е.Б., Гук И.И. Основы цифровой обработки сигналов: Курс лекций. - СПб.: БХВ-Петербург, 2003.
8. Jan Axelson. USB Complete: Everything You Need to Develop Custom USB Peripherals. - Lakeview Research, 2005.