СВЧ-ПРИЕМНИК СИГНАЛОВ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ Российский патент 1997 года по МПК H04B1/06 

Изобретение относится к области спутниковой радионавигации и может быть использовано в трактах первичной обработки информации приемоиндикаторов двух взаимно-рассинхронизованных спутниковых радионавигационных систем.

Известен приемник [1] содержащий антенное устройство, широкополосный входной фильтр, аттенюатор аналоговой высокочастотной автоматической регулировки усиления (АРУ), первый смеситель, перестраиваемый синтезатор частот (СЧ), узкополосный полосовой фильтр, первый усилитель промежуточной частоты (УПЧ), второй смеситель, генератор опорной частоты, второй УПЧ, устройство выборки и хранения отсчетов сигнала, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровой процессор сигналов (ЦПС), узел автоматической регулировки усиления (АРУ), состоящий из цифроаналогового преобразователя (ЦАП) и фильтра низких частот (ФНЧ), выход которого подключен к второму входу аттенюатора аналоговой высокочастотной автоматической регулировки усиления и второму входу первого УПЧ. Приемник также содержит цифровой выход, снимаемый с ЦАС, и аналоговый выход, когда сигнал с выхода ЦПС поступает на выход устройства через ЦАП и ФНЧ восстановления сигнала.

Недостатком приемника [1] является высокая сложность устройства, связанная с наличием перестраиваемого синтезатора частот для точной настройки на поддиапазоны принимаемых сигналов и генератора фиксированной частоты для работы второго смесителя. Кроме того, наличие второго УПЧ снижает динамический диапазон устройства, что приводит к усложнению АЦП, АРУ, а также делает затруднительным его использование для обработки сигналов спутниковых радионавигационных систем.

Указанные недостатки частично устранены в приемнике [2] который содержит антенное устройство, малошумящий усилитель (МШУ), фильтр первого зеркального канала (ФЗК1), первый смеситель, первый умножитель частоты (УЧ1) в n раз, фильтр, предварительный усилитель первой промежуточной частоты, фильтр второго зеркального канала, второй смеситель, второй умножитель частоты, на вход которого поступает сигнал от синтезатора точной сетки, усилитель второй промежуточной частоты, охваченный цепью АРУ. Преимуществом данного приемника является достаточно широкий динамический диапазон входного сигнала, а также возможность устойчивой работы в случае приема сигналов СВЧ-диапазона. Однако применение двух умножителей частоты соответственно в n и m раз приводит к увеличению уровня фазовых шумов (пропорционально логарифму n и m). Данный недостаток приводит к существенному увеличению коэффициента шумов приемного тракта и, как следствие, снижению соотношения сигнал/шум на выходе устройства.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является модульный приемник сигналов GPS [3] (глобальной навигационной системы "Navstar") фирмы "Интерстейт электроникс корпорейшен" (США), который включает в себя антенную систему, состоящую из двух мультиплексируемых антенн, модуля предварительного усилителя, состоящего из двух предварительных усилителей, которые соединены с модулем преобразователя радиочастотного сигнала через переключатель, коммутируемый внешним управляющим сигналом. Модуль радиочастотного сигнала включает в себя малошумящий усилитель, первый смеситель, синтезатор сетки частот, опорный высокостабильный генератор, первый полосовой узкополосный фильтр, первый усилитель промежуточной частоты, второй смеситель, второй узкополосный полосовой фильтр, второй усилитель промежуточной частоты, инвертор, блок автоматической регулировки усиления, формирователь квадратурных отсчетов, генератор тактовой частоты, аналого-цифровой преобразователь, с выхода которого снимаются квадратурные составляющие выходного сигнала.

Преимуществом устройства [3] по сравнению [1 и 2] является возможность работы с сигналами спутниковой системы "Навстар" как по коду общего применения (С/А код), так и по точному (P-коду) одновременно, что позволяет существенно увеличить точность измерения координат, скорости и текущего времени аппаратурой приемоиндикатора, а также упростить программно-математическое обеспечение аппаратуры потребителей.

В заявляемом устройстве достигнута возможность решения следующих задач:
возможность приема и обработки сигналов с космических аппаратов (КА) системы типа "Глонасс" (P и С/А коды) и системы типа "Навстар" (С/А- код); сигналы двух спутниковых радионавигационных систем (СРНС) равноправны и поступают на вход одной антенны;
обеспечение выдачи управляющих сигналов (гетеродина, цифрового квадратурного преобразования входного сигнала) с помощью одного опорного генератора и синтезатора частот;
реализация указанного приемника с помощью одного смесителя и усилителя промежуточной частоты с целью упрощения устройства и устранения комбинационных составляющих, которые неизбежно возникают при двойном преобразовании частоты в канале приемника.

Указанные преимущества перед прототипом достигаются за счет того, что в СВЧ-приемник сигналов спутниковых радионавигационных систем, содержащий антенну, первый малошумящий усилитель, смеситель, усилитель промежуточной частоты, блок автоматической регулировки усиления, опорный термостатический генератор, выход которого подсоединен ко входу синтезатора частот, первый выход которого соединен с первым входом смесителя, дополнительно введены входной фидер, пассивный широкополосный фильтр-преселектор, входной и выходной изоляторы (ферритовые вентили), второй малошумящий усилитель, первый и второй широкополосные полосовые фильтры, блок комплексного преобразования сигнала.

Кроме того, выход антенны (антенного устройства) соединен со входом входного фидера, выходом соединенного со входом широкополосного фильтра-преселектора, выход которого подключен ко входу входного ферритового вентиля, выход которого, в свою очередь, соединен с первым входом первого малошумящего усилителя. Выход первого малошумящего усилителя подключен ко входу выходного ферритового вентиля, подсоединенного выходом к первому входу второго малошумящего усилителя, выход которого соединен со вторым входом смесителя. Выход смесителя соединен со входами первого и второго широкополосных полосовых фильтров, выходы которых подсоединены к первому и второму входам усилителя промежуточной частоты. Выход усилителя промежуточной частоты подсоединен одновременно к информационному входу блока комплексного преобразования сигнала и входу блока автоматической регулировки усиления, выход которого подключен одновременно ко второму входу первого малошумящего усилителя, второму входу второго малошумящего усилителя и третьему входу усилителя промежуточной частоты, причем второй и третий выходы синтезатора частоты соединены соответственно с первым и вторым входом блока комплексного преобразования сигнала.

На фиг. 1 представлена функциональная схема СВЧ-приемника сигналов спутниковых радионавигационных систем; на фиг. 2 структурная схема синтезатора систем; на фиг. 3 схема многокаскадного делителя частоты; на фиг. 4 вариант реализации аналого-цифрового преобразователя.

Согласно изобретению СВЧ-приемник спутниковых радионавигационных систем (фиг. 1) содержит антенну и входной фидер 1, выход которого соединен со входом пассивного широкополосного фильтра-преселектора 2, выходом соединенного со входом входного изолятора 3, представляющего собой ферритовый вентиль, служащий для предотвращения попадания шумов первого малошумящего усилителя 4 в антенну и обратного отражения их в приемник. Выход входного изолятора 3 подключен ко входу первого малошумящего усилителя 4, выход которого соединен со входом выходного изолятора 5 (ферритовый вентиль), который предотвращает попадание в первый малошумящий усилитель 4 шумов последующих элементов приемника. Выход выходного изолятора 5 подключен ко входу второго малошумящего усилителя 6, выходом соединенного с первым входом смесителя 7, ко второму входу которого подключен первый выход синтезатора 8 частот, который в данном случае выполняет функцию гетеродина. Вход синтезатора 8 частот соединен с выходом опорного термостатического генератора 9. Выход смесителя 7 подключен ко входам широкополосных полосовых фильтров 10 и 11, которые обеспечивают выделение на промежуточной частоте сигналов космических аппаратов систем типа "Навстар" и "Глопасс". Выходы широкополосных полосовых фильтров 10 и 11 соединены соответственно с первым и вторым входами усилителя 12 промежуточной частоты. Выход усилителя 12 промежуточной частоты подсоединен одновременно к информационному входу блока комплексного преобразования сигнала 13, выход которого служит выходом заявляемого устройства, а также ко входу блока 14 автоматической регулировки усиления. Выходы последнего подключены соответственно к третьему входу усилителя 12 промежуточной частоты, второму входу второго малошумящего усилителя 6 и второму входу малошумящего усилителя 4.

Синтезатор 8 частот (фиг. 1 и 2) содержит импульсный фазовый детектор 15, на первый вход которого поступает сигнал с выхода термостатического опорного генератора 9, выходы фазового детектора 15 соединены со входами формирователей 16 и 17 стабильного тока, которые обеспечивают высокостабильный входной ток на входе фильтра 18 нижних частот, выходом соединенного со входом генератора 19, управляемого напряжением, выход которого, в свою очередь, подключен одновременно ко входу смесителя 7, обеспечивая подачу сигнала гетеродина частотой 1440 МГц, а также ко входу многокаскадного делителя 20 частоты, выходом соединенного со вторым входом фазового детектора 15, образуя тем самым активный синтезатор частот или контур фазовой автоподстройки частоты.

Многокаскадный делитель 20 частоты (фиг. 2 и 3) содержит Т-триггер 21, тактовый вход которого соединен с выходом генератора 19, управляемого напряжением, и служит входом многокаскадного делителя частоты 20.

Прямой выход Т-триггера 21 соединен с тактовым входом Т-триггера 22, а инверсный со входом делителя 23 (П 72), выход которого подключен ко второму входу импульсного фазового детектора 15. Прямой выход Т-триггера 22 соединен одновременно со входом инвертора 24 и тактовым входом Т-триггера 25, прямой выход которого подключен одновременно к тактовому входу Т-триггера 26 и первому входу элемента ЗИ-НЕ 27, второй вход которого соединен с прямым выходом Т-триггера 26, а третий вход с выходом инвертора 24. Выход элемента ЗИ-НЕ 27 соединен со входом сброса Т-триггеров 28 и 29. Инверсный выход триггера 22 подключен к тактовому входу Т-триггера 28, выход которого, в свою очередь, соединен с тактовым входом Т-триггера 29. Сигналы, которые снимаются с выходов Т-триггеров 28 и 29 (частотой 90 МГц), поступают на соответствующие управляющие входы аналого-цифрового преобразователя 13 со сдвигом во время на четверть периода, обеспечивая тем самым квадратурную обработку сигналов, принимаемых со спутников.

Блок комплексного преобразования сигнала 13 (фиг. 1 и 4) содержит усилитель 30, выход которого соединен одновременно со входами компараторов 31, 32 и 33. Второй вход компаратора 31 подключен к положительному потенциалу, определяющему пороговое напряжение сравнения (U пор.1); второй вход компаратора 32 подключен к отрицательному потенциалу, определяющему пороговое напряжение сравнения (U пор.2); второй вход компаратора 33 подключен к нулевому потенциалу, также определяющему пороговое напряжение сравнения (U пор.3). Выходы компараторов 31 и 32 подсоединены соответственно к первому и второму входам элемента ИЛИ 34, выход которого подключен одновременно к информационным входам D-триггеров 35 и 36. Выход компаратора 33 подсоединен одновременно к информационным входам D-триггеров 37 и 38.

Тактовые входы триггеров 35 и 27 одновременно соединены с выходом триггера 26, а тактовые входы триггеров 36 и 38 одновременно соединены с выходом триггера 29. Выходы триггеров 35 и 37 образуют первую (синусную) пару отсчетов соответственно I₁ и I₂, а выходы триггеров 36 и 38 образуют вторую (косинусную) пару отсчетов выходного цифрового сигнала Q₁, Q₂, при этом сигналы тактовой частоты сдвинуты относительно друг друга на четверть периода, обеспечивая этим, как уже отмечалось, квадратурную обработку выходного сигнала СВЧ-приемника.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

На вход антенны СВЧ-приемника поступают сигналы с космических аппаратов двух радионавигационных систем типа "Глонасс" и "Навстар" Si, которые в двух диапазонах принимаемых частот L, I₁ и I₂ можно представить в виде:

где, P_i(t) псевдослучайная огибающая i-го KA, i=1.n
D_i(t) навигационное сообщение i-го KA
Φ_iL₁ и Φ_iL₂ начальные фазы принимаемых сигналов,
ω_iL₁ и ω_iL₂ несущие частоты в диапазонах I₁ и I₂ от i-го KA;
t текущее время.

Амплитудно-частотная характеристика приемного тракта определяется спектрами принимаемых сигналов. Спектр системы космических аппаратов типа "Навстар" при работе по С/А коду составляет (1575,42 1) МГц, а спектр сигналов космических аппаратов системы "Глонасс" при работе С/А и P коду составляет (1602 + 9/16 • n + 5,11) МГц, где n 1.24. Таким образом, общая полоса частот принимаемых сигналов равна 1574,42 ≅ f≅ 1620, 6 МГц, т.е. занимаемая полоса частот Δf составляет примерно 50 МГц. Принимаемые сигналы от космических аппаратов проходят последовательно соединенные входной фидер 1, пассивный широкополосный фильтр-преселектор 2 и входной изолятор 3, после чего поступают на вход первого малошумящего усилителя 4. Входной фидер 1 служит для согласования параметров антенны и входных цепей СВЧ-приемника и представляет собой четвертьволновый замкнутый на одной стороне отрезок коаксиальной линии. Пассивный широкополосный фильтр-преселектор 2 служит для органичения полосы частот принимаемых сигналов в диапазоне 1574,42.1621 МГц и выполнен на микрополосковых линиях. Указанный фильтр реализует последовательно соединенные фильтр нижних частот Баттерворта 5-го порядка и фильтр верхних частот Чебышева 1 типа 6-го порядка, обеспечивая путем такого сочетания широкополосную фильтрацию в заданном диапазоне при неравномерности амплитудно-частотной характеристики, равной 2дБ. Входной изолятор 3 представляет собой ферритовый вентиль и служит для предотвращения попадания шумов усилителя СВЧ в антенну и обратного отражения их в приемник. Основное усиление приемного тракта обеспечивается малошумящими усилителями 4 и 6, которые выполнены на базе арсенид-галиевых транзисторов с барьером Шоттки. Параметры МШУ: коэффициент усиления 35 дБ, диапазон применяемых частот 1.8 ГГц, при неравномерности амплитудно-частотной характеристики 1 дБ и коэффициенте шума 1,1 дБ. Выход МШУ 4 соединен со входом выходного изолятора 5, который представляет собой ферритовый вентиль и предотвращает попадание в МШУ 4 шумов последующих элементов приемника. Выход выходного изолятора 5 соединен со входом второго малошумящего усилителя 6, где происходит дальнейшее усиление входного сигнала, который с выхода МШУ 6 поступает на вход смесителя 7. На выходе смесителя 7, выполненного по балансной схеме, происходит выделение сигнала разностной частоты f_пр=f_с-f_г после чего сигнал разностной (промежуточной) частоты на два широкополосных полосовых фильтра 10 и 11 третьего порядка, которые настроены на частоты сигналов космических аппаратов системы типа "Навстар", т.е. на частоту (133 137 МГц) и системы типа "Глонасс", т. е. на частоту (157 181 МГц), обеспечивая тем самым обработку входной информации в широкой полосе частот. Выходы широкополосных полосовых фильтров 10 и 11 подсоединены соответственно к первому и второму входу усилителя 12 промежуточной частоты. Для обеспечения постоянства коэффициента усиления в заданных пределах используется блок 14 автоматической регулировки усиления, охватывающий МШУ 4, 6 и усилитель 12 промежуточной частоты. Выходной сигнал усилителя 12 промежуточной частоты поступает на вход блока комплексного преобразования сигнала, в котором реализована квадратурная обработка входной информации за счет подачи на управляющие входы данного узла прямоугольных импульсов (типа "меандр") со сдвигом на четверть периода, при этом на выходах I₁ и I₂ образуется соответственно синусная, а на выходах Q₁, Q₂ косинусная составляющая входного информационного сигнала.

По сравнению с устройством-прототипом (3) в заявляемом СВЧ-приемнике достигнуты следующие преимущества:
а) обеспечивается одновременный прием и обработка сигналов космических аппаратов двух систем типа "Глонасс" и "Навстар" за счет применения широкополосных полосовых фильтров и соответствующей организации связей между блоками;
б) выдача сигналов на вход гетеродина, управляющие входы блока комплексного преобразования сигнала осуществляется от одного синтезатора частот, что исключает необходимость использования дополнительного генератора опорной частоты как в устройстве (3), без ухудшения при этом технических характеристик, так как уход частоты выходных сигналов данного синтезатора не превышает 0,1 процента;
в) в заявляемом устройстве за счет использования широкополосных полосовых фильтров нет необходимости в реализации двойного преобразования частоты и, как следствие, применять прецизионные фильтры для устранения дополнительных составляющих по соседнему и зеркальному каналам приемного тракта.

Таким образом, поставленные задачи выполнены.

Предлагаемое устройство может быть использовано в трактах первичной обработки информации премоиндикаторов двух взаимно-рассинхронизованных спутников радионавигационных систем. В СВЧ-приемник, включающий в себя антенну, малошумящий усилитель, смеситель, усилитель промежуточной частоты, блок автоматической регулировки усиления, опорный термостатический генератор, синтезатор частот и блок комплексного преобразования сигнала, дополнительно введены входной фидер, пассивный широкополосный фильтр-преселектор, входной и выходной изоляторы, второй малошумящий усилитель, первый и второй широкополосные полосовые фильтры. С помощью заявляемого СВЧ-приемника достигается возможность приема и обработки сигналов с космических аппаратов систем "Глонасс" и "Навстар". Сигналы этих двух спутниковых систем равноправны и поступают на вход одной антенны. Использование заявляемого устройства позволяет обеспечить выдачу управляющих сигналов с помощью одного опорного генератора и синтезатора частот, а упрощение устройства и устранение комбинационных составляющих, которые неизбежно возникают при двойном преобразовании частоты, происходит за счет реализации приемника с помощью одного смесителя и усилителя промежуточной частоты, 4 ил.

СВЧ-приемник сигналов спутниковых радионавигационных систем, содержащий антенну, малошумящий усилитель, смеситель, усилитель, промежуточной частоты, блок автоматической регулировки усиления, опорный термостатированный генератор, выход которого соединен с входом синтезатора частот, первый выход которого соединен с первым входом смесителя, отличающийся тем, что он дополнительно включает в себя фидер, пассивный широкополосный фильтр-преселектор, входной и выходной изоляторы, второй малошумящий усилитель, первый и второй широкополосный полосовые фильтры, блок комплексного преобразования сигнала, причем выход антенны соединен с входом входного фидера, выход которого соединен с входом пассивного широкополосного фильтра-преселектора, выходом подключенного к входу входного изолятора, выход которого, в свою очередь, соединен с первым входом первого малошумящего усилителя, выходом подключенного к входу выходного изолятора, выход которого соединен с первым входом второго малошумящего усилителя, выходом соединенного с вторым входом смесителя, выход последнего соединен с входами первого и второго широкополосных полосовых фильтров, выходы которых подсоединены к первому и второму входам усилителя промежуточной частоты, выходом подключенного одновременно к информационному входу блока комплексного преобразования сигнала и входу блока автоматической регулировки усиления, выход которого соединен одновременно с вторым входом первого малошумящего усилителя, вторым входом второго малошумящего усилителя и третьим входом усилителя промежуточной частоты, в то время как второй и третий выходы синтезатора частоты блока комплексного преобразования сигнала.