ПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться в качестве приемного устройства в системах радиосвязи с высокой помехозащищенностью и повышенной дальностью связи.
Известно приемное устройство, построенное по классической схеме супергетеродинного радиоприемника с однократным преобразованием входного сигнала в сигнал промежуточной частоты (см. Головин О.В. Радиоприемные устройства. Высш. Шк., 1997 г., стр.9, рис.1.6; И.Озеров. УКВ-приемник. ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 4/2002, стр.25, рис.2).
ПЧ
С
Г
ПЧ
Г
С
ПЧ
Г
С
В этом устройстве принимаемый сигнал с выхода антенны попадает в высокочастотный тракт, включающий преселектор (входной полосовой фильтр и усилитель высокой частоты), а также гетеродин со смесителем. После смесителя входной сигнал преобразуется в сигнал промежуточной частоты F, который фильтруется, усиливается в усилителе промежуточной частоты и поступает на вход детекторного устройства. Настройка на частоту радиостанции F происходит посредством одновременного изменения частоты сигнала гетеродина F и резонансной частоты LC-контуров преселектора. Обычно промежуточная частота F формируется как разностная между частотой сигнала гетеродина F и частотой принимаемого сигнала F. Постоянное значение промежуточной частоты (F=F-F) после смесителя позволяет применить сложные резонансные системы в каскадах усилителя промежуточной частоты и получить основное усиление приемника (чувствительность) и избирательность по соседнему каналу.
Недостаток состоит в том, что на выходе смесителя возникают интермодуляционные помехи третьего порядка, ослабление которых возможно следующим способом - введением высокочастотного аттенюатора, устанавливаемого за гнездом подключения антенны и увеличивающего динамический диапазон приемного устройства (см. Ред Э.Т. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. Издательство «МИР», 1990 г., стр.77-81) в сочетании с использованием гетеродина с высоким уровнем выходного сигнала (см. Ред Э.Т. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. Издательство «МИР», 1990 г., стр.50). Это позволяет повысить динамический диапазон по интермодуляции приемного устройства. Однако при усилении выходного сигнала гетеродина увеличивается пропорционально коэффициенту усиления и уровень теплового шума гетеродина, что приводит к появлению шумовых составляющих в полосе пропускания фильтра промежуточной частоты. При этом происходит ухудшение чувствительности приемного устройства: во-первых, из-за одновременного ослабления помехи и полезного сигнала, а во-вторых, из-за попадания шумовых составляющих в полосу промежуточной частоты.
Таким образом, недостаток известного приемного устройства состоит в ограниченной избирательности и чувствительности.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является приемное устройство с двойным преобразованием частоты (см. патент на полезную модель №52548 от 28.09.2005 г.), которое принято за прототип.
Укрупненная блок-схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где введены следующие обозначения:
1 - аттенюатор;
2 - преселектор;
3 - первый преобразователь частоты;
5 - первый усилитель промежуточной частоты;
7 - первый гетеродин (синтезатор частот);
8 - второй гетеродин (генератор тактовых импульсов);
9 - опорный генератор;
10 - блок управления;
11 - шина управления;
13 - коммутатор;
14 - второй преобразователь частоты;
15 - второй усилитель промежуточной частоты.
Приемное устройство-прототип содержит последовательно соединенные коммутатор 13, преселектор 2, аттенюатор 1, первый преобразователь частоты 3, первый усилитель промежуточной частоты 5, второй преобразователь частоты 14, второй усилитель промежуточной частоты 15, выход которого является выходом устройства, а также первый гетеродин 7, второй гетеродин 8, опорный генератор 9, блок управления 10 и шину управления 11. При этом выход первого гетеродина 7 соединен со вторым входом первого преобразователя частоты 3, выход второго гетеродина 8 соединен со вторым входом второго преобразователя частоты 14, первый выход опорного генератора 9 соединен со вторым входом коммутатора 13, на первый вход которого поступает принимаемый сигнал, два других выхода опорного генератора 9 соединены с соответствующими входами первого гетеродина 7 и второго гетеродина 8, а блок управления 10 через шину управления 11 соединен с управляющими входами коммутатора 13, преселектора 2, аттенюатора 1 и первого гетеродина 7.
Устройство-прототип работает следующим образом.
С
RO
Г1
ПЧ1
ПЧ1
Г2
ПЧ2
По сигналу управления от блока управления 10 через коммутатор 13 проходит или принимаемый сигнал F, или опорный сигнал F от опорного генератора 9. С выхода коммутатора 13 соответствующий сигнал проходит на сигнальный вход преселектора 2. Перестройка резонансных LC-контуров преселектора 2 по частоте происходит по сигналу управления, поступающему на управляющий вход преселектора 2 от блока управления 10 по шине управления 11. С выхода преселектора 2 сигнал через аттенюатор 1, управляемый от блока 10, поступает на первый, сигнальный вход первого преобразователя частоты 3, на второй, гетеродинный вход которого поступает переключаемый по частоте сигнал F от первого гетеродина 7. Переключение частот первого гетеродина 7 происходит по команде от блока управления 10, поступающей по шине управления 11. На выходе первого преобразователя частоты 3 выделяется сигнал первой промежуточной частоты F, который поступает на вход первого усилителя промежуточной частоты 5, где происходит соответствующее его усиление и фильтрация в заданной полосе частот. С выхода первого усилителя промежуточной частоты 5 усиленный и отфильтрованный сигнал с частотой F поступает на первый, сигнальный вход второго преобразователя частоты 14, на второй, гетеродинный вход которого поступает сигнал фиксированной частоты F с выхода второго гетеродина 8. В результате на выходе второго преобразователя частоты 14 формируется сигнал второй промежуточной частоты F, который поступает на вход второго усилителя промежуточной частоты 15, где происходит окончательное усиление и фильтрация в необходимой полосе частот.
Недостаток известного устройства-прототипа состоит в увеличении отношения сигнал-шум на выходе смесителя, появляющихся при увеличении динамического диапазона с помощью аттенюатора, следствием чего является ухудшение чувствительности на коэффициент аттенюации.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в увеличении чувствительности устройства наряду с расширением динамического диапазона по интермодуляции 3-го порядка.
Достигаемый технический результат - ослабление теплового шума сигнала гетеродина в полосе пропускания усилителя промежуточной частоты, возникающего в результате расширения динамического диапазона приемного устройства по интермодуляции третьего порядка.
Для решения поставленной задачи в приемное устройство, содержащее аттенюатор, преселектор, преобразователь частоты, усилитель промежуточной частоты, синтезатор частот, генератор тактовых импульсов, опорный генератор, первый и второй выходы которого соединены соответственно с опорными входами синтезатора частот и генератора тактовых импульсов, блок управления, соединенный двунаправленной шиной управления с управляющими входами-выходами аттенюатора, преселектора и синтезатора частот, согласно полезной модели, введены диплексер, блок цифровой обработки сигнала (БЦОС) и режекторный фильтр, при этом, входом устройства является сигнальный вход аттенюатора, выход которого соединен с сигнальным входом преселектора, выход которого соединен с сигнальным входом преобразователя частоты, выход которого через последовательно соединенные диплексер и усилитель промежуточной частоты соединен с сигнальным входом БЦОС, тактовый вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, синхронизирующий выход которого через шину управления соединен с блоком управления; выход синтезатора частот через режекторный фильтр соединен с гетеродинным входом преобразователя частоты; кроме того, блок управления двунаправленной шиной управления соединен с управляющими входами-выходами опорного генератора и БЦОС, выход которого является выходом устройства.
Дополнительно, блок цифровой обработки сигнала выполнен с возможностью аналого-цифрового преобразования сигнала усилителя промежуточной частоты в аналого-цифровом преобразователе в цифровой сигнал, выделения из него полезной информации в программируемой логической интегральной схеме и последующего цифро-аналогового преобразования в цифро-аналоговом преобразователе в аналоговый сигнал.
Дополнительно, блок управления выполнен с возможностью записи команд о запросе состояния приемного устройства, контроля работоспособности приемного устройства, включения и выключения приемного устройства, записи частоты и вида модуляции, записи коэффициента аттенюации, записи коэффициента подстройки опорного генератора, анализа помеховой обстановки от внешнего управляющего устройства (ВУУ), формирования кода частоты и записи его в синтезатор частот и преселектор, формирования кода вида модуляции и записи его в БЦОС, формирования кода коэффициента аттенюации и записи его в аттенюатор, формирования кода коэффициента подстройки опорного генератора и записи его в опорный генератор, и дальнейшего формирования ответной команды о состоянии приемного устройства в ВУУ.
Графические материалы, представленные в материалах заявки:
Фиг.1. Укрупненная функциональная схема устройства-прототипа.
Фиг.2. Функциональная схема заявляемого приемного устройства.
Фиг.3. Блок-схема алгоритма работы блока управления.
Фиг.4. Функциональная схема блока цифровой обработки сигнала.
Фиг.5. Диаграмма шумов гетеродина.
Фиг.6. Диаграмма шумов гетеродина после фильтрации.
На фиг.2 введены следующие обозначения:
1 - аттенюатор;
2 - преселектор;
3 - преобразователь частоты;
4 - диплексер;
5 - усилитель промежуточной частоты;
6 - блок цифровой обработки сигнала;
7 - синтезатор частот;
8 - генератор тактовых импульсов;
9 - опорный генератор;
10 - блок управления;
11 - шина управления;
12 - режекторный фильтр;
Заявляемое устройство содержит последовательно соединенные аттенюатор 1, сигнальный вход которого является входом устройства, преселектор 2, преобразователь частоты 3, диплексер 4, усилитель промежуточной частоты 5 и блок цифровой обработки сигнала (БЦОС) 6, выход которого является выходом устройства; последовательно соединенные опорный генератор 9, синтезатор частот 7 и режекторный фильтр 12, выход которого соединен с гетеродинным входом преобразователя частоты 3; второй выход опорного генератора 9 через генератор тактовых импульсов 8 соединен с тактовым входом БЦОС 6. Блок управления 10 двунаправленной шиной управления 11 соединен с управляющими входами-выходами аттенюатора 1, преселектора 2, синтезатора частот 7, опорного генератора 9 и БЦОС 6, а также с синхронизирующим выходом генератора тактовых импульсов 8.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Принимаемый с антенны сигнал поступает через аттенюатор 1 на сигнальный вход преселектора 2, где происходит усиление и предварительная частотная селекция. Резонансные контуры преселектора 2 перестраиваются по частоте одновременно с переключением частот блока 7. С выхода преселектора 2 предварительно отфильтрованное по частоте напряжение поступает на сигнальный вход преобразователя частоты 3, на гетеродинный вход которого через режекторный фильтр 12 приходит соответствующий сигнал с выхода синтезатора частот 7. В результате на выходе преобразователя частоты 3 формируется сигнал первой промежуточной частоты, который через диплексер 4 поступает на вход усилителя промежуточной частоты 5. Усиленный сигнал с выхода усилителя промежуточной частоты 5 поступает на сигнальный вход БЦОС 6, на тактовый вход которого подаются импульсы с генератора тактовых импульсов 8. При этом сигналы с выходов опорного генератора 9 поступают на соответствующие опорные входы синтезатора частот 7 и генератора тактовых импульсов 8, где используются в качестве эталонных. Выделение полезной информации происходит в БЦОС, с выхода которого полезная информация подается на выход устройства. По шине управления 11 происходит обмен управляющими сигналами между блоком управления 10 и блоками 1, 2, 6, 7 и 9, а также поступление сигнала синхронизации с блока 8 на блок управления 10.
БЦОС 6 может быть реализован согласно функциональной схеме, представленной на фиг.4, где введены следующие обозначения:
6.1 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
6.2 - программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС);
6.3 - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).
БЦОС 6 содержит последовательно соединенные АЦП 6.1, вход которого является входом БЦОС 6, ПЛИС 6.2 и ЦАП 6.3, выход которого является выходом БЦОС 6. Тактовый вход БЦОС 6 соединен с тактовыми входами АЦП 6.1, ПЛИС 6.2 и ЦАП 6.3. Управляющий вход-выход ПЛИС 6.2 является управляющим входом-выходом БЦОС 6.
Сигнал с выхода блока 5 подается на сигнальный вход АЦП 6.1, где происходит его аналого-цифровое преобразование; затем оцифрованный сигнал поступает на вход ПЛИС 6.2, в которой под управлением блока 10 выбирается алгоритм демодуляции и выделяется полезная информация, которая далее подвергается цифро-аналоговому преобразованию в ЦАП 6.3, с выхода которого полезная информация в аналоговой форме поступает на выход устройства.
Блок управления 10 может быть реализован как микроконтроллер, работающий по алгоритму, представленному на фиг.3.
Согласно алгоритму в момент включения блока 10 в блоке 10.1 происходит загрузка программного обеспечения в микроконтроллер, далее в блоке 10.2 происходит инициализация периферийных устройств, затем в блоке 10.3 начинается самодиагностика приемного устройства, после окончания которой в блоке 10.4 визуально отображается состояние приемного устройства, затем в блоке 10.5 микроконтроллер переходит в состояние ожидания команды от внешнего управляющего устройства (ВУУ). Если в блок 10.6 от ВУУ (например, от персональной ЭВМ через порт RS-485) приходит запрос состояния приемного устройства, то по связи 10.24 алгоритм переходит в блоке 10.23 к отправке команды о состоянии приемного устройства в ВУУ. Если в блок 10.7 от ВУУ приходит запрос контроля работоспособности приемного устройства, то в блоке 10.8 происходит самодиагностика приемного устройства, и по связи 10.24 алгоритм переходит в блоке 10.23 к отправке команды о состоянии приемного устройства в ВУУ. Если в блок 10.9 от ВУУ приходит команда включения питания приемного устройства, то в блоке 10.10 выполняется включение приемного устройства, далее по связи 10.24 алгоритм переходит в блоке 10.23 к отправке команды о состоянии приемного устройства в ВУУ. Если в блок 10.15 от ВУУ приходит команда выключения питания приемного устройства, то в блоке 10.16 выполняется выключение приемного устройства, далее по связи 10.24 алгоритм переходит к отправке команды о состоянии приемного устройства 10.23 в ВУУ. Если в блок 10.11 от ВУУ приходит команда записи частоты и вида модуляции, то в блоке 10.12 в микроконтроллере происходит расчет кодов частоты, в блоке 10.13 производится запись полученных кодов в синтезатор частот 7 и в преселектор 2, затем в блоке 10.14 производится запись вида модуляции в БЦОС 6, далее по связи 10.24 алгоритм переходит в блоке 10.23 к отправке команды о состоянии приемного устройства в ВУУ. Если в блок 10.17 от ВУУ приходит команда записи коэффициента аттенюации, то в блоке 10.18 происходит запись коэффициента аттенюации в аттенюатор 1, далее по связи 10.24 алгоритм переходит в блоке 10.23 к отправке команды о состоянии приемного устройства в ВУУ. Если в блок 10.19 от ВУУ приходит команда записи коэффициента подстройки опорного генератора, то в блоке 10.20 происходит запись коэффициента подстройки опорного генератора в опорный генератор 9, далее по связи 10.24 алгоритм переходит в блоке 10.23 к отправке команды о состоянии приемного устройства в ВУУ. Если в блок 10.21 от ВУУ приходит команда анализа помеховой обстановки, то в блоке 10.22 происходит анализ помеховой обстановки, далее по связи 10.24 алгоритм переходит в блоке 10.23 к отправке команды о состоянии приемного устройства в ВУУ.
Г
ПЧ
ПЧ
Для решения проблемы подавления теплового шума сигнала гетеродина с выходной частотой f, представленных на фиг.5, возрастающих при увеличении динамического диапазона по интермодуляции и попадающих в полосу пропускания усилителя промежуточной частоты, введен режекторный фильтр 12, настроенный на промежуточную частоту f, и имеющий полосу подавления равную полосе пропускания Δf усилителя промежуточной частоты 5, посредством которого ослабляется тепловой шум в полосе пропускания усилителя промежуточной частоты 5 в пределе на величину коэффициента затухания режекторного фильтра 12 в полосе режекции (см. фиг.6).
Реализация остальных блоков заявляемого устройства не вызывает затруднений, т.к. они широко описаны в технической литературе.
Таким образом, в заявляемом приемном устройстве можно получить высокое значение чувствительности наряду с широким динамическим диапазоном по интермодуляции третьего порядка, что позволяет использовать его в перспективных системах радиосвязи с высокой помехозащищенностью и повышенной дальностью связи.