Имитатор фазоманипулированного сигнала для бортового приемника-процессора искусственного спутника земли

Авторы патента:

H03L7 - Автоматическое управление частотой или фазой; синхронизация (настройка резонансных контуров вообще H03J; синхронизация в системах цифровой связи, см. соответствующие рубрики класса H04)

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использовано для формирования фазоманипулированного сигнала для проверки работоспособности бортового приемника-процессора искусственного спутника Земли с минимальным уровнем сигнала, равномерным шагом частоты с малым временем перестройки в широком диапазоне частот. Техническим результатом является упрощение аппаратного построения, обеспечение более низкого уровня сигнала по сравнению с имитаторами на основе схемы с фазовой автоподстройкой частоты, что позволит отказаться от тройной экранировки прибора. Имитатор фазоманипулированного сигнала для бортового приемника-процессора искусственного спутника Земли на основе прямого синтеза частоты с микроконтроллерным управлением, включающий опорный генератор, источник электропитания, генератор прямого синтеза частоты, управляемый от микроконтроллера, полосовой фильтр и аттенюатор, управляемый от микроконтроллера. Полезная модель обеспечит более низкий уровень сигнала по сравнению с имитаторами на основе схемы с фазовой автоподстройкой частоты, что позволит отказаться от тройной экранировки прибора. 5 ил.

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использовано в качестве имитатора сигнала для наземных испытаний бортовых приемников-процессоров низко- и среднеорбитальных искусственных спутников Земли, ретрансяторов геостационарных искусственных спутников Земли, а также для испытаний любых других приемных устройств требующих формирования сигнала в диапазоне частот 400-420 МГц с уровнем сигнала порядка минус 160 дБВт.

Из уровня техники известны различные схемы построения имитаторов сигнала. Известны синтезаторы сигнала с прямым синтезом частоты, формирующие гармонические сигналы и используемые в качестве гетеродинов. Так же известны управляемые микроконтроллером синтезаторы частоты с переменным усилением, формирующие сигнал с минимальным временем установления сигнала и равномерным шагом перестройки частоты.

Из заявки на выдачу патента RU 94001919 известен цифровой синтезатор частоты, предназначенный для использования в радиоприемных и радио-передающих устройствах для генерирования сетки стабильных частот. Цифровой синтезатор содержит соединенные в первое кольцо автоподстройки перестраиваемый генератор, делитель частоты с переменным коэффициентом деления, фазовый детектор и фильтр нижних частот. Второе кольцо автоподстройки включает перестраиваемый генератор, смеситель, полосовой фильтр, фазовый детектор и фильтр нижних частот, а также опорный генератор. Также, цифровой синтезатор частот включает блок установки частот, формирователь импульсов, а также последовательно включенные частотный детектор, фильтр нижних частот и неинвертирующий сумматор.

Недостатками цифрового синтезатора частоты, известного из заявки RU 94001919, являются сложность аппаратной реализации, невозможность изменения амплитуды, закона установления литер несущей частоты, а так же фазы сформированного сигнала по линейному, квадратичному, гаусообразному, экспоненциальному, либо случайному закону, а так же невозможность кодирования сигнала по программе заложенной в микроконтроллере без аппаратного изменения схемы.

Из уровня техники известен синтезатор частот (см. патент на изобретение RU 2214043), включающий вход точной регулировки частоты для приема внешних фазовых данных и вход синхронизирующих сигналов для приема внешних синхросигналов, а также выход, на котором образуется опорный сигнал. Синтезатор частот включает цифровой синтезатор, фильтр, схему фазовой автоподстройки частоты. Схема фазовой автоподстройки частоты включает последовательно соединенные в кольцо, перестраиваемый генератор, делитель частоты с переменным коэффициентом деления, частотно-фазовый детектор и фильтр нижних частот. Синтезатор частот включает решающее устройство и цифровой сумматор.

Недостатками указанного синтезатора частот является невозможность изменения программным образом амплитуды, частоты и фазы сформированного сигнала.

Наиболее близким к заявленной полезной модели (прототипом) является, известный из патента на изобретение RU 2267860, синтезатор частот с переменным усилением и полосой пропускания кольца фазовой автоподстройки. Синтезатор частот предназначен для формирования набора синусоидальных сигналов с равномерным шагом частоты в приемных и передающих устройствах с малым временем перестройки в широком диапазоне частот, например, в системах связи с псевдослучайной перестройкой. Синтезатор час тот содержит управляемый генератор, делитель частоты с переменным коэффициентом деления, частотно-фазовый детектор, опорный генератор, делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, блок управляемых генераторов тока заряда/разряда, блок определения синхронизма по фазе, фильтр нижних частот, в состав которого входят ключ, конденсаторы, резисторы. В схему синтезатора введены микроконтроллер и блок определения синхронизма по частоте, а в состав фильтра нижних частот вводятся либо второй ключ, либо второй ключ и операционный усилитель.

Недостатками прототипа являются сложность аппаратного построения, невозможность изменения шага несущей частоты сформированного сигнала по случайному закону, осуществления изменения фазы сформированного сигнала по линейному, квадратичному, гаусообразному, экспоненциальному, либо случайному закону, а также невозможность кодирования сигнала без аппаратного изменения схемы по программе заложенной в микроконтроллере.

Целью настоящей полезной модели является разработка имитатора фазоманипулированного сигнала для бортового приемника-процессора искусственного спутника Земли, который позволит формировать как гармонический сигнал, так и импульсный и непрерывный сигнал, а также сигнала с амплитудной, частотной, либо фазовой модуляцией несущей частоты.

Техническим результатом полезной модели является упрощение аппаратного построения за счет формирования существенно более низкого уровня сигнала, чем при известном построении имитаторов на основе генератора управляемого напряжением в кольце фазовой автоподстройкой частоты. Предложенное построение имитатора фазоманипулированного сигнала для бортового приемника-процессора искусственного спутника Земли позволит уменьшить массу, габариты и энергопотребление, а за счет модификации программы в микроконтроллере, управляющей микросхемой генератора прямого синтеза частоты, позволит унифицировать аппаратное построение прибора. Указанный технический результат, а также использование в предложенном техническом решении аттенюатора, выполненного в виде микросхемы с управлением ослабления по записанной в микроконтроллере программе, позволит отказаться от тройной экранировки прибора.

Технический результат достигается тем, что имитатор фазоманипулированного сигнала для бортового приемника-процессора искусственного спутника Земли содержит источник вторичного электропитания, опорный генератор и микроконтроллер в составе радиомодуля, при этом первый выход источника вторичного электропитания соединен с первым входом радиомодуля, второй выход источника вторичного электропитания соединен со входом опорного генератора, выход которого соединен с вторым входом радиомодуля, выход которого является входом бортового приемника - процессора, причем радиомодуль содержит генератор прямого синтеза частоты, полосовой фильтр и аттенюатор, при этом первый вход генератора прямого синтеза частоты соединен с первым выходом микроконтроллера, выход генератора прямого синтеза частоты соединен с входом полосового фильтра, выход которого соединен с первым входом аттенюатора, а второй вход аттенюатора соединен со вторым выходом микроконтроллера, при этом первый вход микроконтроллера и второй вход генератора прямого синтеза частоты радиомодуля объединены и соединены с выходом опорного генератора, причем третий вход генератора прямого синтеза частоты соединен с первым выходом источника вторичного электропитания, со вторым входом микроконтроллера и со вторым входом аттенюатора, причем третий вход микроконтроллера соединен с входом блока внешнего управления, четвертый вход микроконтроллера является входом команды на включение от внешнего устройства по параллельному или последовательному интерфейсу.

Признаки и сущность настоящей полезной модели поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее:

Фиг.1 - структурная схема имитатора фазоманипулированного сигнала для бортового приемника-процессора искусственного спутника Земли;

Фиг.2 - структурная схема радиомодуля имитатора сигнала;

Фиг.3 - огибающая спектра на выходе генератора прямого синтеза частоты, работающего на тактовой частоте 210 МГц;

Фиг.4 - график изменения несущей частоты по доплеровскому закону, который может быть запрограммирован в памяти микроконтроллера (график изменения несущей частоты аварийного радиобуя системы КОСПАС-САРСАТ в течение сеанса связи с низкоорбитальным ИСЗ с высотой полета 1000 км и максимальным углом видимости 20, 50 и 90°);

Фиг.5 - блок-схема программы микроконтроллера.

Имитатор фазоманипулированного сигнала для бортового приемника-процессора искусственного спутника Земли (см. фиг.1) включает внутренний источник вторичного электропитания 1, радиомодуль 2 и опорный генератор 3. В качестве опорного генератора 3 может быть использован рубидиевый стандарт частоты и времени.

Радиомодуль 2 (см. фиг.2) включает генератор прямого синтеза частоты 4, полосовой фильтр 5, аттенюатор 6, микроконтролер 7 и блок внешнего управления 8. Электропитание генератора прямого синтеза частоты 4, микроконтроллера 7 и аттенюатора 6 осуществляется от внутреннего источника вторичного электропитания 1. Сигнал опорного генератора 3 поступает на генератор прямого синтеза частоты 4 и микроконтроллер 7, таким образом, осуществляется когерентное формирование несущей частоты сигнала и тактовой частоты сообщения.

Микроконтроллер 7 управляет генератором прямого синтеза частоты 4 и аттенюатором 6. Управление генератором прямого синтеза частоты 4 осуществляется в формате параллельного программного интерфейса по которому поступают коды для установления несущей частоты и фазы сигнала.

Работа имитатора фазоманипулированного сигнала для бортового приемника-процессора искусственного спутника Земли осуществляется следующим образом. При подаче внешнего электропитания (включении) внутренний источник вторичного электропитания 1 формирует необходимые значения постоянного напряжения для работы опорного генератора 3, микроконтроллера 7 и аттенюатора 6.

Программа, заложенная в микроконтроллере 7, осуществляет включение микроконтроллера 7. Микроконтроллер 7 выдает серию команд для установки генератора прямого синтеза частоты 4 на нужную рабочую частоту и фазу выходного сигнала, а также переводит генератор прямого синтеза частоты 4 в режим пониженного потребления. Аттенюатор 6 устанавливается микроконтроллером 7 на максимальное ослабление. При этом микроконтроллер 7 ожидает команды на включение в рабочий режим либо от блока внешнего управления 8, либо от внешнего устройства по параллельному программному или последовательному интерфейсу управления. После поступления команды на включение в рабочий режим микроконтроллер 7 формирует выходные сигналы, в соответствии с программой, записанной в памяти микроконтроллера. Переход на другую литерную частоту, имитацию S кривой доплеровского смещения частоты и управление аттенюатором 6 осуществляется по параллельному программному или последовательному интерфейсу управления. При последующих поступлениях команд от блока внешнего управления 8, программа, заложенная в микроконтроллер 7, позволяет изменить литеру несущей частоты имитатора или прекратить выдачу сообщения.

В основу радиомодуля предложенной полезной модели входит генератор прямого синтеза частоты, в основе которого используется микросхема AD9852 («Analog device», США, direct digital synthesis (dds), cmos 300 msps complete dds). Генератор прямого синтеза частоты управляется микроконтроллером. В основе микроконтроллера используется микросхема Atmega 16L («Atmel» (США)), avr-8 bit rise). Примененный микроконтроллер имеет 32 порта ввода-вывода, максимальная тактовая частота составляет 16 МГц. Управление генератором прямого синтеза частоты осуществляется микроконтроллером по параллельному интерфейсу по байтно (8-ми разрядная шина), причем каждый байт имеет свой уникальный адрес, который передается одновременно с кодом управления по 6-ти разрядной шине. Таким образом, время формирования изменения фазы при максимальной тактовой частоте работы микроконтроллера 16 МГц составляет около 6-10 мкс, несущей частоты 12-20 мкс. В энергонезависимой памяти микросхемы AD9852 синус записан таблицей в 16384 строки (2¹⁴). Фаза формируемого в генераторе прямого синтеза частоты 4 сигнала может принимать значения от 0 до 360° с шагом 0,02197° (360°/16384). Старшие 14 разрядов регистра сумматора опрашивают память, в которой запрограммирован код синусоиды. Таким образом, происходит перекодировка кодов ступенчатой пилы в коды ступенчатой синусоиды. Фазовая модуляция осуществляется генератором прямого синтеза частоты совместно с микроконтроллером. Значения фазы от +=1.1 рад до -=-1.1. рад записаны в виде таблицы в памяти микроконтроллера. Программа фазовой модуляции запускается перепадами сформированного в микроконтроллере сигнала. Время перехода фазы и закон ее изменения записаны в программе микроконтроллера. Таблица состоит, например, из 21^ой строки. Первый опрос таблицы начинается из середины таблицы (0°) и поднимается вверх до значения фазы +=1.1 рад (это является спецификой сигнала аварийного радиобуя системы КОСПАС-САРСАТ). При последующих фазовых переходах таблица опрашивается сверху от +=1.1 рад вниз до -=-1.1 рад и снизу от -=-1.1 рад вверх до +=1.1 рад. Программа подсчитывает количество бит в посылке и последний бит информации обеспечивает переход фазы в нулевое значение перед выключением генератора прямого синтеза частоты. На вход цифроаналогового преобразователя генератора прямого синтеза частоты поступает массив из 14-ти разрядных слов с тактовой частотой F_т и за коном формирования фазовой модуляции. Задержка в формировании фазы определяется тактовой частотой микроконтроллера и составляет менее единиц мкс, точность формирования значения фазы составляет сотые доли градуса.

Генератор прямого синтеза частоты представляет собой микросхему, в которой формируются следующие сигналы:

- сигнал тактовой частоты (F_т) генератора прямого синтеза частоты, сформированный из сигнала опорного генератора умноженного на целочисленный коэффициент умножения. Операция умножения осуществляется генератором прямого синтеза частоты на основе генератора управляемым напряжением в кольце фазовой автоподстройки частоты и

- сигнал прямого синтеза частоты (F_псч) сформированный с использованием накопительного сумматора имеющего величину 48 разрядов. Микроконтроллер формирует код числа в бинарном виде, который с каждым тактом частоты F_т накапливается в сумматоре и переполняет его с периодом соответствующем частоте F_т.

Код двоичного числа формируемого микроконтроллером вычисляется по формуле:

код числа (в бинарном виде)=(2⁴⁸ х F_псч/F_т)₂.

Сигнал F_псч, имеет значение несколько десятков МГц, сигнал F_т - несколько сотен МГц. Выходной сигнал (F_псч) генератора прямого синтеза частоты представляет собой ряд спектральных составляющих - комбинационных частот F_псч и F_т: F_т, F_псч, F_псч ±nхF_т

где:

n - целочисленный коэффициент (0-) огибающая которых описывается выражением Sin(x)/x. Требуемую комбинационную составляющую возможно отфильтровать полосовым фильтром.

Далее отфильтрованный сигнал поступает на аттенюатор. В качестве аттенюатора используется микросхема АТ65-0106 (digital_yoltage_attenuators), имеющая параллельный интерфейс управления (6-ти разрядная шина) ослаблением от 0 до 50 дБ в диапазоне частот от 100 до 2000 МГц с точностью установления ослабления ±0,3 дБ.

Управление аттенюатором (установление величины ослабления от 0 до 50 дБ) осуществляется микроконтроллером по 6-ти разрядной параллельной шине управления, причем уровень ослабления сигнала при включении устанавливается максимальный (50 дБ), а в дальнейшем может изменяться, например, по линейному закону от 50 до 0 дБ и обратно от 0 до 50 дБ с максимальной скоростью изменения ослабления 1 дБ за 1 мкс.

Микроконтроллер работает по программе записанной во flash (энергонезависимой) памяти микроконтроллера. После подачи электропитания происходит инициализация микроконтроллера. Во время инициализации задаются и обнуляются регистры управления, устанавливаются константы, запрещаются все прерывания. Далее происходит инициализация таймеров и разрешение прерывания по ним: задаются все необходимые константы для работы программы в режиме прерывания и разрешаются сами прерывания. Далее программа формирует коды значения несущей частоты и фазы сигнала на генератор прямого синтеза частоты и уровня ослабления на аттенюатор заложенные во flash памяти непрерывно до выключения (снятия электропитания). При поступлении прерывания, например, от внешнего устройства управления программа формирует требуемый код фазы, несущей частоты или уровня сигнала.

Отладка программы записываемой в микроконтроллер происходит в интегрированной среде разработчика AVR studio v.4.13.557, которая является связующим звеном между компьютером, отладочной платой STK500 и микроконтроллером. Для записи программы в микроконтроллер используется отладочная плата STK500. Запись программы в память микроконтроллера осуществляется через внешний разъем установленный на корпусе радиомодуля.

При максимальной F_т составляющей несколько сотен МГц для формирования сигнала имитатора (F_и) в диапазоне 400-420 МГц подходит спектральная составляющая лежащая во втором лепестке функции Sin(x)/x - F_и=2хF_т-F_псч. Уровень сигнала имитатора F_и выделяемого из спектра полосовым фильтром существенно ниже уровня сигнала имитаторов построенных на основе традиционной схемы с генератора управляемым напряжением в кольце фазовой автоподстройки частоты и составляет минус 110 дБВт. С учетом ослабления сигнала (0-50 дБ) вносимое аттенюатором минимальный уровень сигнала формируемый имитатором составляет минус 160 дБВт.

Для имитации доплеровского смещения частоты несущая частота сигнала может формироваться в режиме линейного изменения частоты (ramped frequency-shift keying). Меняя от посылки к посылке наклон и направление линейного изменения частоты, можно имитировать доплеровскую S-образную кривую по методу линейно-ломаной аппроксимации.

Таким образом, полезная модель позволит сформировать следующие сигналы:

- аварийных радиобуев (АРБ-406) системы КОСПАС-САРСАТ в диапазоне 406,0-406,1 МГц на любой из 20 литер несущей частоты определяемой по формуле F_и=406,022+nх0,003 МГц, где n=0-19;

- платформ сбора данных (ПСД402) систем «Курс-М» и «Электро» в диапазоне 401,0-403,0 МГц на любой из 1334 литере несущей частоты определяемой по формуле F_и=401,9+kx0,0015 МГц, где k=0-1333.

Имитатор фазоманипулированного сигнала для бортового приемника-процессора искусственного спутника Земли обеспечит точность установки уровня сигнала не хуже десятых долей дБВт, номинала несущей частоты не более единиц мкГц, стабильность несущей частоты не хуже 1×10^-9 за 100 мс, а так же величину фазовых шумов менее минус 60 дБВт. Фазовая модуляция может быть сформирована по линейному, квадратичному, гаусообразному, экспоненциальному, случайному закону со временем установления литеры несущей частоты и фазы сигнала не более единиц мкс.

Таким образом, предложенное техническое решение без изменения аппаратного построения прибора обеспечит формирование сигнала на любой литере несущей частоты, с любым законом изменения амплитуды, несущей частоты и фазы сигнала на частотах от 400 до 420 МГц с высокой точностью.

Промышленная применимость. Настоящая полезная модель может быть применено в радиотехники и может быть использовано в качестве имитатора сигнала для наземных испытаний бортовых приемников-процессоров низко - и среднеорбитальных искусственных спутников Земли, ретрансяторов геостационарных искусственных спутников Земли, а также для испытаний любых других приемных устройств требующих формирования сигнала в диапазоне частот 400-420 МГц с уровнем сигнала порядка минус 160 дБВт.

Проведенный анализ позволил установить: аналоги с совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного имитатора условию патентоспособности «новизна».

Имитатор фазоманипулированного сигнала для бортового приемника-процессора искусственного спутника Земли содержит опорный генератор и микроконтроллер в составе радиомодуля, отличающийся тем, что радиомодуль дополнительно содержит генератор прямого синтеза частоты, полосовой фильтр и аттенюатор, при этом первый выход источника электропитания соединен с первым входом радиомодуля, второй выход источника вторичного электропитания соединен со входом опорного генератора, выход которого соединен с вторым входом радиомодуля, выход которого является входом бортового приемника-процессора, при этом первый вход генератора прямого синтеза частоты соединен с первым выходом микроконтроллера, выход генератора прямого синтеза частоты соединен с входом полосового фильтра, выход которого соединен с первым входом аттенюатора, а второй вход аттенюатора соединен со вторым выходом микроконтроллера, при этом первый вход микроконтроллера и второй вход генератора прямого синтеза частоты объединены и соединены с выходом опорного генератора, причем третий вход генератора прямого синтеза частоты соединен с первым выходом источника вторичного электропитания, со вторым входом микроконтроллера и со вторым входом аттенюатора, причем третий вход микроконтроллера соединен с входом блока внешнего управления, четвертый вход микроконтроллера является входом команды на включение от внешнего устройства по параллельному или последовательному интерфейсу.