Широкополосное многоканальное радиоприемное устройство

Предлагаемая полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в аппаратуре широкополосных систем многоканальной связи и систем радиоконтроля. Техническим результатом полезной модели является повышение помехоустойчивости, расширение диапазона частот и динамического диапазона принимаемых устройством сигналов, повышение скорости обработки информации. Достижение указанного технического результата обеспечивается в предлагаемом широкополосном многоканальном радиоприемном устройстве, содержащем средства фильтрации и усиления аналоговых сигналов, АЦП, синтезатор частот, блок каналов цифровой обработки (КЦО), ПЭВМ, при этом выходы АЦП подключены к соответствующим входам блока КЦО, к управляющему входу которого и к управляющему входу АЦП подключен выход синтезатора частот, отличающемся, тем, что оно содержит радиоприемный тракт, в котором имеются последовательно соединенные первый блок субъоктавных фильтров, первый автоматический аттенюатор, усилитель радиочастоты, второй блок субъоктавных фильтров и второй автоматический аттенюатор, выходом соединенный с соответствующим входом АЦП, блок управления и контроля, соответствующими входами/выходами соединенный с первым и вторым автоматическими аттенюаторами, усилителем частоты, синтезатором частот, блоком мультиплексора/демультиплексора, соответствующие входы которого соединены с соответствующими выходами блока КЦО, содержащем п каналов цифровой обработки, другой соответствующий вход/выход блока мультиплексора/демультиплексора соединен с соответствующим входом/выходом блока электрооптического/оптоэлектронного преобразователей, другой соответствующий выход/вход которого соединен с входом/выходом оптического приемопередатчика, соответствующий выход/вход которого является выходом/входом радиоприемного тракта, который с помощью двунаправленной ВОЛС соединен с входом/выходом автоматизированного рабочего места (АРМ), включающего оптический приемопередатчик, связанный с блоком электрооптического/ оптоэлектронного преобразователей, связанный, в свою очередь, с блоком мультиплексора/демультиплексора, который связан с блоком цифровой обработки сигналов (ЦОС), соединенным с ПЭВМ.

Предлагаемая полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в аппаратуре широкополосных систем многоканальной радиосвязи и систем радиоконтроля.

Известно широкополосное радиоприемное устройство KB диапазона (см. Aquila Wideband HF Receiver. SDR Block Diagram, http://www.monteriallc. com/downloads/Aquila.pdf), содержащее последовательно соединенные усилитель с переменным усилением и фильтр нижних частот (ФНЧ), ключ, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), генератор частоты дискретизации, интерфейс с USB, связанный с ПЭВМ, причем выход генератора частоты дискретизации подключен ко входу АЦП и тактовому входу цифрового синтезатора частот, а выход ФНЧ через ключ подключен ко входу АЦП.

В данном устройстве не предусмотрена возможность многоканального приема, а также отсутствует предварительная селекция аналоговых сигналов, в силу чего оно имеет недостаточный динамический диапазон. Поэтому данное устройство не может обеспечить необходимое качество приема сигналов KB диапазона.

Известно широкополосное многоканальное радиоприемное устройство KB диапазона (см. свидетельство на полезную модель 59354, М. кл. H04L 27/34, опубл. 10.12.2006 г.), в котором обеспечен многоканальный прием сигналов KB диапазона и несколько повышена помехоустойчивость за счет предварительной частотной селекции сигналов.

Устройство содержит на входе переключаемый преселектор, на вход которого поступает групповой спектр, содержащий большое количество отдельных сигналов, выход преселектора соединен со входом усилителя с переменным усилением, выход которого подключен ко входу ФНЧ, выход которого подключен ко входу АЦП, на другой вход которого подается сигнал частоты дискретизации с выхода генератора частоты дискретизации (синтезатора частот). Устройство также содержит каналы цифровой обработки (КЦО), соответствующие входы которых связаны с соответствующими выходами АЦП, на другие соответствующие входы которых подается сигнал тактовой частоты от генератора частоты дискретизации, а выходы КЦО подключены к соответствующим входам ключа, выход которого подключен ко входу ОЗУ. Выход ОЗУ соединен с третьим портом блока интерфейса USB, первый порт которого соединен с ПЭВМ, а второй порт - с управляющими входами преселектора, усилителя с переменным усилением и КЦО.

В данном устройстве из-за недостаточной фильтрации принимаемых аналоговых сигналов с помощью перестраиваемого преселектора и ФНЧ не обеспечивается достаточная помехоустойчивость. Кроме того, в нем отсутствуют средства для реагирования на быстрые изменения уровня принимаемых сигналов, т.е. не обеспечивается необходимый динамический диапазон. Устройство ограничено KB диапазоном принимаемых сигналов. В устройстве применяется интерфейс USB, поэтому ПЭВМ установлена в непосредственной близости от радиоприемного тракта, что ухудшает внутреннюю электромагнитную совместимость (ЭМС) устройства. В устройстве отсутствуют дополнительные средства цифровой обработки сигналов, следовательно, скорость обработки информации низка.

Данное устройство выбрано за прототип.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение помехоустойчивости, улучшение ЭМС, расширение диапазона частот и динамического диапазона принимаемых устройством сигналов, повышение скорости обработки информации.

Достижение указанного технического результата обеспечивается в предлагаемом широкополосном многоканальном радиоприемном устройстве, содержащем средства фильтрации и усиления аналоговых сигналов, АЦП, синтезатор частот, блок каналов цифровой обработки (КЦО), ПЭВМ, при этом выход АЦП подключен к соответствующим входам блока КЦО, к управляющему входу которого и к управляющему входу АЦП подключен выход синтезатора частот, отличающемся, тем, что оно содержит радиоприемный тракт, в котором имеются последовательно соединенные первый блок субъоктавных фильтров, первый автоматический аттенюатор, усилитель радиочастоты (УРЧ), второй блок субъоктавных фильтров и второй автоматический аттенюатор, выходом соединенный с соответствующим входом АЦП, (причем каждый субъоктавный фильтр выполнен таким образом, что , где f_вф - верхняя граничная частота субъоктавного f_нф фильтра, f_нф - нижняя граничная частота субъоктавного фильтра), блок управления и контроля, соответствующими входами/выходами соединенный с первым и вторым автоматическими аттенюаторами, первым и вторым блоками субъоктавных фильтров, УРЧ, синтезатором частот, блоком мультиплексора/демультиплексора, соответствующие входы которого соединены с соответствующими выходами блока КЦО, имеющего возможность включить от 1 до n каналов цифровой обработки, где где f - полоса пропускания субъоктавного фильтра, F - полоса пропускания КЦО, другой соответствующий вход/выход блока мультиплексора/демультиплексора соединен с соответствующим входом/выходом электрооптического/оптоэлектронного преобразователя, другой соответствующий выход/вход которого соединен с входом/выходом оптического приемопередатчика, соответствующий выход/вход которого является выходом/входом радиоприемного тракта, который с помощью двунаправленной волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) соединен с входом/выходом автоматизированного рабочего места (АРМ), включающего оптический приемопередатчик, один вход/выход которого является входом/выходом АРМ, а другой подключен к соответствующему выходу/входу блока электрооптического/оптоэлектронного преобразователей, другой вход/выход которого соединен с соответствующим выходом/входом блока мультиплексора/демультиплексора, другие соответствующие входы/выходы которого соединены с соответствующими выходами/входами блока цифровой обработки сигналов (ЦОС), входная/выходная шина которого подключена к выходной/входной шине ПЭВМ.

Использование в радиоприемном тракте предлагаемого широкополосного многоканального радиоприемного устройства двух блоков субъоктавных фильтров, обеспечивает ограничение высших гармоник и комбинационных составляющих принимаемых сигналов и помех, повышая помехоустойчивость приема желательных сигналов.

Установка в радиоприемном тракте первого и второго автоматических аттенюаторов, быстро реагирующих на изменение уровня входного группового сигнала, позволяет значительно повысить динамический диапазон принимаемых сигналов, предотвратив перегрузку тракта.

Наличие в радиоприемном тракте блока управления и контроля, связанного с блоками автоматических аттенюаторов, УРЧ, блоками субъоктавных фильтров, синтезатором частот и блоком мультиплексора/демультиплексора, обеспечивает по командам управления, поступающим от АРМ, управление переключением субъоктавных фильтров в диапазоне принимаемых частот; установкой порогов регулирования автоматических аттенюаторов, изменением коэффициента усиления УРЧ и перестройкой синтезатора частот (который обеспечивает подключение и настройку необходимого количества КЦО), а также контроль за уровнями сигналов и состоянием радиоприемного тракта по сигналам контроля формируемым в блоке управления и контроля и поступающих в АРМ. Переключение субъоктавных фильтров, перестройка синтезатора частот (в отличие от генератора постоянной не перестраиваемой частоты дискретизации), подключение необходимого количества КЦО обеспечивает расширение диапазона частот принимаемых сигналов.

Установка в радиоприемном тракте блока электрооптического/оптоэлектронного преобразователя, связанного с оптическим приемопередатчиком, обеспечивает преобразование электрических мультиплексированных сигналов в оптические сигналы и последующую передачу по ВОЛС оптических сигналов на приемопередатчик АРМ, где принятые оптические сигналы преобразуются в электрические с помощью блока оптоэлектронного преобразователя с дальнейшим демультиплексированием, что позволяет повысить помехоустойчивость приема и улучшить ЭМС.

Установка ПЭВМ с блоком ЦОС в АРМ на удаленное расстояние от радиоприемного тракта (обеспечивается применением ВОЛС), исключает ее влияние на работу радиоприемного тракта, что улучшает ЭМС всего радиоприемного устройства.

Дополнительно введенный блок ЦОС производит обработку цифровых информационных сигналов, осуществляет взаимодействие с блоком мультиплексора/демультиплексора и ПЭВМ, тем самым повышает скорость обработки информации.

Структурная схема предлагаемого широкополосного многоканального радиоприемного устройства приведена на чертеже, в соответствии с которым она содержит радиоприемный тракт 1, на вход 2 которого поступает принимаемый аналоговый сигнал. Входом радиоприемного тракта 1 является вход первого блока 3 субъоктавных фильтров. Радиоприемный тракт 1 содержит также последовательно соединенные первый автоматический аттенюатор 4, УРЧ 5, второй блок 6 субъоктавных фильтров, второй автоматический аттенюатор 7, АЦП 8, при этом выход первого блока 3 субъоктавных фильтров соединен со входом первого автоматического аттенюатора 4, вход/выход которого, а также входы/выходы первого 3 и второго 6 блоков субъоктавных фильтров, УРЧ 5, второго автоматического аттенюатора 7 связаны с соответствующими выходами/входами блока 9 управления и контроля, другой соответствующий выход/вход которого соединен с соответствующим входом/выходом синтезатора 10 частот, выход которого соединен с соответствующими входами АЦП 8 и блока 11 КЦО, другие входы которого соединены с выходом АЦП 8, выходы блока 11 КЦО и соответствующие выходы/входы блока 9 управления и контроля подключены ко входам и соответствующим входам/выходам блока 12 мультиплексора/демультиплексора, выход/вход которого соединен с входом/выходом блока 13 электрооптического/оптоэлектронного преобразователей, другой выход/вход которого соединен с соответствующим входом/выходом оптического приемопередатчика 14, вход/выход которого, являющийся соответствующим входом/выходом радиоприемного тракта 1, связан посредством ВОЛС с выходом/входом АРМ 15, которым является выход/вход оптического приемопередатчика 16, другой выход/вход которого соединен с соответствующим входом/выходом блока 17 оптоэлектронного/ электрооптического преобразователей, другой выход/вход которого подключен к соответствующему входу/выходу блока 18 мультиплексора/ демультиплексора, соответствующие выходы и выходы/входы которого соединены с соответствующими входами и входами/выходами блока 19 ЦОС, выходная/входная шина которого соединена с соответствующей входной/выходной шиной ПЭВМ 20.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. По командам в виде сигналов управления, поступающих в радиоприемный тракт 1, от ПЭВМ 20, через блок 19 ЦОС, по ВОЛС и посредством блока 9 управления и контроля, включаются заданные субъоктавные фильтры в блоках 3 и 6, выставляется коэффициент усиления УРЧ 5, задаются пороги регулирования автоматических аттенюаторов 4 и 7, настраивается синтезатор частот 10 на нужную частоту дискретизации для подачи в АЦП 8 и блок КЦО 11. В блоке КЦО 11 включается необходимое количество КЦО, равное от 1 до n,

где , где f - полоса пропускания субъоктавного фильтра,

F - полоса пропускания КЦО.

Далее происходит подстройка частоты каждого КЦО.

Настройка на нужную частоту КЦО 11 осуществляется аналогично настройке КЦО в прототипе. Одновременно осуществляется контроль состояния радиоприемного тракта 1 и параметров принимаемого сигнала по контрольным сигналам получаемым от блоков с 3 по 11 радиоприемного тракта 1, формируемых в блоке 9 управления и контроля и посредством ВОЛС и блока 19 ЦОС поступающих в ПЭВМ 20. Результаты контроля визуально отображаются на экране монитора ПЭВМ 20. Сигналы управления и контроля задаются и отображаются соответственно в ПЭВМ 20.

На вход 2 радиоприемного тракта 1 поступает групповой широкополосный аналоговый сигнал, состоящий из группы узкополосных радиосигналов, далее сигнал поступает в первый блок 3 субъоктавных фильтров где происходит предварительная фильтрация сигнала от помех, ограниченный по частотному спектру сигнал через первый автоматический аттенюатор 4 поступает на вход УРЧ 5 где усиливается и поступает на вход второго блока 6 субъоктавных фильтров где производится дополнительная фильтрация принимаемого сигнала от помех и высших гармоник сигнала, возникающих в результате нелинейных процессов в УРЧ 5. Далее через второй автоматический аттенюатор 7 сигнал поступает на вход АЦП 8, в котором производится аналого-цифровое преобразование. Оцифрованный сигнал поступает в блок 11 КЦО, где производится разделение относительно широкополосного группового цифрового сигнала на n узкополосных цифровых сигналов при помощи n узкополосных цифровых фильтров, входящих в n КЦО, где и производится основная частотная избирательность желательных сигналов. После основной фильтрации в блоке 11 КЦО сигналы мультиплексируются в блоке 12 мультиплексора/демультиплексора, и мультиплексированный сигнал преобразуется в оптический сигнал в блоке 13 электрооптического/оптоэлектронного преобразователей. Далее оптическим приемопередатчиком 14, посредством ВОЛС, сигнал передается в АРМ 15 на оптический приемопередатчик 16. В блоке 17 электрооптического/ оптоэлектронного преобразователей происходит обратное преобразование сигнала в электрический и после его демультиплексирования в блоке 18 мультиплексора/демультиплексора n сигналов поступают в блок 19 ЦОС, где подвергаются более детальной обработке. После цифровой обработки все необходимые данные о сигналах и каждом сигнале в отдельности в виде аудио-визуальных сообщений поступают на средства воспроизведения и отображения ПЭВМ 20.

Автоматические аттенюаторы 4 и 7 автоматически изменяют затухание группового сигнала в зависимости от заданных порогов регулирования и уровня действующего группового сигнала, которые постоянно контролируются в аттенюаторах на их входе и выходе. Каждый из n КЦО блока КЦО 11 осуществляет основную частотную избирательность принимаемого узкополосного сигнала при помощи цифровых фильтров (ЦФ). Принципы построения ЦФ могут быть различными, в том числе и такими, которые используются в прототипе, но более целесообразным решением является использование принципа построения ЦФ без умножений. Применение ЦФ без умножений уменьшает аппаратные затраты, что позволяет при одном и том же количестве элементов увеличить число КЦО и тем самым расширить диапазон принимаемых частот радиоприемного устройства. Кроме того, ЦФ без умножений имеют низкий уровень собственных шумов, и применение таких ЦФ повышает чувствительность КЦО и тем самым расширяет динамический диапазон всего радиоприемного устройства.

Рассмотрим пример выполнения блоков предлагаемого широкополосного многоканального радиоприемного устройства.

Вход 2 может быть выполнен на основе радиочастотного разъема типа СР-75-166ФВ или СР-50-439ФВ и РЧ-кабеля РК-75 или РК-50 соответственно.

Блоки 3 и 6 субъоктавных фильтров могут быть выполнены на L, С - элементах аналогично прототипу.

Автоматические аттенюаторы 4 и 7 могут быть выполнены на основе безындуктивных резисторов и коммутационных диодов или реле ARA200A05 фирмы «Nais», а также могут быть применены аттенюаторы фирмы «Mini-Circuites».

В УРЧ 5 может быть применен усилитель на дискретных транзисторах с широким динамическим диапазоном или усилитель ARJ109 фирмы «Teledyne Congar», а также аналогичный прототипу.

В АЦП 8 могут быть использованы АЦП AD9446 фирмы «Analog Devices».

Блок 9 управления и контроля может содержать ПЛИС (FPGA) такие как ЕР2С 50 или Cyclone I, Stratix II GX фирмы «Альтера».

Синтезатор частот 10 может быть выполнен на микросхемах FPGA Cyclone II фирмы «Альтера» и AD9726 фирмы «Analog Devices».

Блок 11 КЦО может быть выполнен на ПЛИСах (FPGA) Cyclone II и ЕР2С 20-50 фирмы «Альтера».

Блоки 12, 13, 14, 16, 17, 18 могут быть выполнены на микросхемах HEBR - 5921 фирмы «Avago» и ПЛИС (FPGA) ЕР2С 50 фирмы«Альтера», а соединяющая ВОЛС на волоконно-оптических кабелях типа ST/PC-ST/PC-СС-3.

Блок 19 ЦОС может быть выполнен на ПЛИСах (FPGA) Cyclone II и ЕР2С 20-50 фирмы «Альтера».

ПЭВМ 20 может быть выполнена на базе универсальной вычислительной машины фирмы «РАМЭК».

Широкополосное многоканальное радиоприемное устройство, содержащее средства фильтрации и усиления аналоговых сигналов, АЦП, синтезатор частот, блок каналов цифровой обработки (КЦО), ПЭВМ, при этом выходы АЦП подключены к соответствующим входам блока КЦО, к управляющему входу которого и к управляющему входу АЦП подключен выход синтезатора частот, отличающееся тем, что оно содержит радиоприемный тракт, в котором имеются последовательно соединенные первый блок субъоктавных фильтров, первый автоматический аттенюатор, усилитель радиочастоты, второй блок субъоктавных фильтров и второй автоматический аттенюатор, выходом соединенный с соответствующим входом АЦП, причем каждый субъоктавный фильтр выполнен таким образом, что ,

где f_вф - верхняя граничная частота субъоктавного фильтра, f_нф - нижняя граничная частота субъоктавного фильтра, блок управления и контроля, соответствующими входами/выходами соединенный с первым и вторым автоматическими аттенюаторами, первым и вторым блоками субъоктавных фильтров, усилителем радиочастоты, синтезатором частот, блоком мультиплексора/демультиплексора, соответствующие входы которого соединены с соответствующими выходами блока КЦО, содержащем n каналов цифровой обработки, где , где f - полоса пропускания субъоктавного фильтра, F - полоса пропускания КЦО, другой соответствующий вход/выход блока мультиплексора/демультиплексора соединен с соответствующим входом/выходом блока электрооптического/оптоэлектронного преобразователей, другой соответствующий выход/вход которого соединен с входом/выходом оптического приемопередатчика, соответствующий выход/вход которого является выходом/входом радиоприемного тракта, который с помощью двунаправленной ВОЛС соединен с входом/выходом автоматизированного рабочего места (АРМ), включающего оптический приемопередатчик, один вход/выход которого является входом/выходом АРМ, а другой подключен к соответствующему выходу/входу блока электрооптического/оптоэлектронного преобразователей, другой вход/выход которого соединен с соответствующим выходом/входом блока мультиплексора/демультиплексора, другие соответствующие входы/выходы которого соединены с соответствующими выходами/входами блока цифровой обработки сигналов (ЦОС), входная/выходная шина которого подключена к ПЭВМ.