РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО КОГЕРЕНТНОЙ РЛС Российский патент 2002 года по МПК G01S13/04 H04B1/64 G01S7/288 

Изобретение относится к радиоприемным устройствам когерентных РЛС, обеспечивающим выдачу комплексной огибающей принятого сигнала в цифровом формате.

Известны радиоприемные устройства с выдачей комплексной огибающей принимаемого сигнала в цифровом формате [1], [2], [3].

Известное радиоприемное устройство-прототип [3] (с. 136) содержит гетеродин и когерентный приемник с цифровым выходом, включающий усилитель радиочастоты, синхронный преобразователь частоты с гетеродинированием на ноль, фильтр низкой частоты (ФНЧ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и фазовращатель. Структурная схема такого устройства приведена на фиг.2. Далее такое приемное устройство будем называть приемник. Применение подобных радиоприемных устройств в когерентных радиолокационных станциях предъявляет высокие требования к их динамическому диапазону, что вытекает из необходимости выделять полезные сигналы на фоне мощных помех. Динамический диапазон мощности различаемых сигналов когерентной РЛС достигает 150 дБ.

Однако динамический диапазон приемника ограничивается техническими характеристиками элементной базы. Практически динамический диапазон современного приемника когерентной РЛС составляет 70-80 дБ [2].

Для согласования с динамическим диапазоном входных сигналов в ряде случаев используют автоматические регулировки усиления приемника или формируют нелинейную логарифмическую амплитудную характеристику приемника. Но эти меры ухудшают помехозащищенность РЛС.

Задачей изобретения является прием сигналов в расширенном линейном динамическом диапазоне, когерентное выделение их огибающей и перевод их комплексной огибающей в цифровой формат данных для последующей цифровой обработки.

Решение ее достигается изменением границ динамического диапазона сигналов приемника путем добавления к входному сигналу части сигнала гетеродина и параллельного включения пар аналогичных приемников со специально выбранными для каждого приемника векторными смещениями рабочего диапазона и формированием на выходе сумм одноименных частей огибающей выходного сигнала параллельных приемников.

На Фиг. 1 представлена структурная схема заявленного радиоприемного устройства.

На Фиг.2 представлена структурная схема прототипа радиоприемного устройства когерентной РЛС.

На Фиг.3 представлена векторная диаграмма сигналов радиоприемного устройства.

Устройство-прототип (Фиг.2) содержит приемник 6 и гетеродин 2. Приемник 6 состоит из усилителя радиочастоты 11, выход которого соединен с первыми входами первого и второго синхронных преобразователей частоты 7₁ и 7₂, выходы которых соединены с входами соответствующих первого и второго фильтров низкой частоты 8₁ и 8₂, выходы которых соединены с входами первого и второго аналого-цифровых преобразователей 9₁ и 9₂ соответственно, выходы которых являются действительной и соответственно мнимой частью выходного сигнала приемника 6. Выход гетеродина 2 соединен со вторым входом 2_вх опорного сигнала синхронного преобразователя действительной части сигнала 7₁ и входом фазовращателя 10, выход которого соединен со вторым входом 2_вх опорного напряжения синхронного преобразователя мнимой части огибающей сигнала 7₂.

Устройство-прототип работает следующим образом.

Входной сигнал усиливается малошумящим усилителем радиочастоты 11 так, чтобы минимальный сигнал после его гетеродинирования на ноль преобразователями частоты 7₁ и 7₂ и подавления гармоник радиочастот фильтрами 8₁ и 8₂ соответствовал младшему разряду АЦП 9₁ и 9₂. Сигнал гетеродина 2 когерентной РЛС поступает на вход 2_вх опорного напряжения синхронного преобразователя действительной части огибающей 7₁ и через фазовращатель 10, в котором происходит поворот фазы сигнала гетеродина 2 на угол 0,5π, на вход 2_вх опорного напряжения синхронного преобразователя мнимой части огибающей 7₂. Синхронные преобразователи 7₁ и 7₂ обеспечивают перенос огибающей несущей частоты на ноль с разложением на действительную и мнимую составляющие соответственно.

Чтобы обеспечить линейность выделения огибающей, амплитуда гетеродина 2 должна существенно (на порядок) [2] превышать максимальную амплитуду сигнала с выхода усилителя радиочастоты 11 Приемные устройства с большой чувствительностью и большим линейным динамическим диапазоном обеспечивают эти параметры в каждом последовательном элементе тракта приемника 6. В современных приемниках такого типа динамический диапазон всего приемного тракта одинаков [2] и ограничивается предельными электрическими характеристиками усилительных элементов. Дальнейшее улучшение технических характеристик связано с большими технологическими проблемами и, как правило, влечет большие материальные затраты.

Предложенное радиоприемное устройство когерентной РЛС (Фиг.1) содержит каналы приема 1₁-1_n, гетеродин 2, и цифровые сумматоры 3₁ и 3₂. Число n - четное, целое, определяется заданным увеличением линейного динамического диапазона приемного устройства в n раз. Каждый приемный канал содержит введенный аналоговый сумматор 4, введенный фазовращатель 5 и приемник 6.

Входной сигнал приемного устройства параллельно соединен с первыми входами 1_вх приемных каналов 1₁-1_n.

Выход гетеродина 2 параллельно соединен со вторыми входами 2_вх опорного сигнала каналов приема 1₁-1_n.

Первые выходы 1_вых действительной части сигнала каналов приема 1₁-1_n соединены с соответствующими номерам приемных каналов входами 1_вх-n_вх цифрового сумматора 3₁, выход которого является действительной частью огибающей сигнала Re_вых радиоприемного устройства.

Выходы 2_вых мнимой части сигнала каналов приема 1₁-1_n соединены с соответствующими номерам приемных каналов входами 1_вx-n_вх цифрового сумматора 3₂, выход которого является мнимой частью огибающей сигнала Im_вых радиоприемного устройства.

В каждом из каналов приема 1₁-1_n первый вход 1_вх соединен с первым входом 1_вх введенного аналогового сумматора 4. Второй вход 2_вх введенного аналогового сумматора 4 соединен с выходом введенного фазовращателя 5. Выход введенного аналогового сумматора 4 соединен с первым входом 1_вх приемника 6. Второй вход 2_вх приемного канала параллельно соединен с входом введенного фазовращателя 5 и вторым входом 2_вх приемника 6. Первый выход 1_вых действительной части сигнала Re₁ приемника 6 соединен с первым выходом 1_вых канала приема.

Второй выход 2_вых мнимой части сигнала Im приемника 6 соединен с вторым выходом 2_вых канала приема.

Возможная блок-схема приемника 6, выполненного по схеме описанного выше прототипа, представлена на фиг.2.

Подробное описание ее приведено выше.

Предложенное радиоприемное устройство работает следующим образом.

Входной сигнал параллельно поступает на вход 1_вх всех с 1 по n каналов приема. В каждом канале приема входной сигнал подан на первый вход 1_вх аналогового сумматора. На второй вход 2_вх аналогового сумматора на несущей частоте РЛС подан сигнал смещения линейного рабочего диапазона канала приема. Для смещения линейного рабочего диапазона канала приема в область положительных значений огибающей принятого сигнала фазовращатель 5 производит сдвиг фазы поданного на него сигнала гетеродина на угол 0,25π. Для смещения линейного рабочего диапазона канала приема в область отрицательных значений огибающих принятого сигнала фазовращатель 5 производит сдвиг фазы поданного на него сигнала гетеродина на угол 1,25π. При четном числе каналов n для нечетных номеров каналов приема фазовращатели 5 производят сдвиг фазы сигнала гетеродина на угол 0,25π, а для четных - на угол 1,25π. В каждом канале приема коэффициент передачи сумматора 4 по сигналу смещения линейного рабочего диапазона устанавливается так, что рабочий диапазон каждого канала приема имеет только одну общую границу со смежным каналом.

Выход аналогового сумматора подается на вход 1_вх приемника 6, а на вход 2_вх подается сигнал гетеродина 2. Приемник 6 выделяет и преобразует в цифровой вид комплексную огибающую принятого сигнала.

На выходе каждого канала приема n формируется сигнал U_kn:
U_kn=F(U_вх-А_n)+(signU_вх)D,
где U_вх - огибающая входного сигнала,
A_n - амплитуда сигнала смещения канала приема n,
D - динамический диапазон приемника 1.

Смещение линейного рабочего диапазона А в каналах приема устанавливается дискретно, начиная с величины диапазона D с шагом 2D в соответствии с номерами каналов приема n.

Для нечетных каналов приема A_n=nD.

Для четных каналов приема A_n=(1-n)D.

Для выбранного симметричного относительно нуля закона смещения рабочего диапазона в каналах приема симметричная амплитудная характеристика приемного устройства получается при четном числе каналов приема.

Выходной сигнал приемного устройства U_вых равен сумме выходных сигналов всех приемных каналов. Выражение U_вых одинаково как для действительной Re части выходного сигнала, так и для мнимой Im.

При положительном значении входного сигнала U_вх>0 сигнал на выходе всех четных каналов приема
U_kn=0 для n - четное,
для нечетных каналов приема



Аналогично, для отрицательных значений входного сигнала U_вx сигналы на выходе всех нечетных каналов приема равны 0.

U_kn=0 для n - нечетное.

Для четных каналов приема



Очевидно, во всех рассмотренных случаях сумма сигналов всех каналов приема равна U_вх:
,
но не больше nD.

На комплексной плоскости (Фиг.3) в осях действительной Re и мнимой Im составляющих частей гетеродина линейная область динамического диапазона прототипа приемного устройства ограничена сторонами квадрата AI, AII, AIII, AIV, отстоящими по осям Re и Im от центра 0 на величину динамического диапазона D. Вектор АI соответствует сигналу смещения линейного диапазона первого канала приема, а вектор АIII соответствует сигналу смещения линейного диапазона второго канала приема. Линейная область динамического диапазона предложенного приемного устройства для двух каналов приема (n=2) ограничена сторонами квадрата AI2, АII2, АIII2, AIV2.

При применении большего числа каналов приема происходит дальнейшее увеличение динамического диапазона принимаемых сигналов.

Технический эффект от реализации данного предложения заключается в возможности увеличения линейного динамического диапазона радиоприемного устройства с цифровой формой представления комплексной огибающей сигнала при существующих технических ограничениях линейного приемника. Увеличение линейного динамического диапазона прямо пропорционально числу n примененных в приемном устройстве приемных каналов. Достигается увеличение линейного динамического диапазона на существующей элементной базе и в разработке новой элементной базы не нуждается.

Литература
1. Проектирование радиолокационных приемных устройств. М. "Высшая школа". 1984 г., стр.147-155.

2. Радиоприемные устройства. М. "Высшая школа". 1989 г., стр.8-15.

3. Справочник по радиолокации. Редактор М. Сколник. Том 3. "Радиолокационные устройства и системы". М. "Советское Радио". 1979 г.

Предложено приемное устройство для когерентной радиолокационной станции с цифровым выходом комплексной огибающей принятого сигнала. Достигаемым техническим результатом является расширение линейного динамического диапазона устройства при существующих технических ограничениях линейных приемников с цифровым выходом путем параллельного включения пар аналогичных приемников со специально выбранными для каждого приемника векторными смещениями рабочего диапазона и формированием на выходе сумм одноименных частей огибающей выходного сигнала параллельных приемников. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Радиоприемное устройство когерентной радиолокационной станции, содержащее гетеродин, отличающееся тем, что введены два цифровых сумматора, каждый с n входами и n (n - целое число) каналов приема, состоящих каждый из введенного аналогового сумматора, когерентного приемника с цифровым выходом и введенного фазовращателя, причем в каждом канале приема вход радиоприемного устройства соединен с первым входом введенного аналогового сумматора, второй вход которого соединен с выходом введенного фазовращателя, вход которого и второй вход когерентного приемника с цифровым выходом параллельно соединены со вторым входом канала приема, выход аналогового сумматора соединен с первым входом когерентного приемника с цифровым выходом, первый выход когерентного приемника с цифровым выходом каждого канала приема соединен с соответствующим номеру канала входом введенного первого цифрового сумматора, второй выход когерентного приемника с цифровым выходом каждого канала соединен с соответствующим номеру канала входом введенного второго цифрового сумматора, причем второй вход каждого канала приема параллельно соединен с выходом гетеродина, выход введенного первого цифрового сумматора является первым выходом радиоприемного устройства и выход введенного второго цифрового сумматора является вторым выходом радиоприемного устройства. 2. Радиоприемное устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждый когерентный приемник с цифровым выходом состоит из усилителя радиочастоты, выход которого параллельно соединен со входами двух синхронных преобразователей частоты, каждый из выходов которых соответственно соединен со входом соответствующего фильтра низкой частоты, выход которого соединен со входом соответствующего аналого-цифрового преобразователя, выход которого является действительной или соответственно мнимой частью выходного сигнала приемника, а выход гетеродина соединен со входом опорного напряжения первого синхронного преобразователя и входом фазовращателя, выход которого соединен со входом опорного напряжения второго синхронного преобразователя.