ПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ФМ СИГНАЛОВ Российский патент 2003 года по МПК H04B1/10 H04L27/22 

Устройство относится к радиотехнике и может быть использовано для приема информации по каналам связи, преимущественно на подвижных объектах.

Известны беспоисковые приемные устройства, построенные на базе согласованных фильтров или многоканальных корреляторов. Время поиска сигнала в таких устройствах соизмеримо с периодом используемой двоичной последовательности. Однако реализовать на практике такие приемные устройства при больших базах сигнала задача весьма проблематичная (см. "Теория и применение псевдослучайных сигналов". Алексеев А.И., Шереметьев А.Г., Тузов Г.И., Глазов Б.И. -М.: Наука, 1969 г.).

Известно также приемное устройство широкополосных сигналов по а.с. 1109915, содержащее линейный тракт, согласованный фильтр, квадратурный перемножитель, интегратор, блок выбора и запоминания на такт, ФНЧ; управляемый фазовращатель, детектор огибающей, весовой сумматор и решающий блок.

Недостатком этого устройства является то, что при наличии на его входе структурной помехи резко падает помехоустойчивость по отношению к другим видам помех, а при достаточно большом уровне этой помехи наступает срыв связи.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является приемное устройство ФМ-сигнала по а.с. RU 2085036, принятое за прототип.

Функциональная схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где введены следующие обозначения:
1 - первый смеситель;
2 - первый усилитель промежуточной частоты (УПЧ);
3 - блок корреляторов;
4 - демодулятор;
5 - получатель информации;
6 - первый гетеродин;
7 - генератор опорных сигналов;
8 - синхронизатор;
9 - блок автоматической подстройки частоты - АПЧ;
10 - коммутатор;
11,21 - второй и третий смесители;
12,22 - второй и третий УПЧ;
13,17 - второй и третий гетеродины;
14,19 - четвертый и пятый смесители;
15,20 - первый и второй фильтры;
16 - фазовый детектор;
18 - фазовращатель на 90^o.

Устройство-прототип содержит последовательно соединенные первый смеситель 1, первый УПЧ 2, блок корреляторов 3, демодулятор 4 и получатель информации 5; последовательно соединенные 2-ой смеситель 11, второй УПЧ 12, четвертый смеситель 14, первый фильтр 15, выход которого соединен с первым входом фазового детектора 16 и вторым входом коммутатора 10. Кроме того, содержит последовательно соединенные фазовращатель 18, пятый смеситель 19 и второй фильтр 20, выход которого соединен со вторым входом фазового детектора 16, выход которого соединен с первым входом коммутатора 10. При этом вход фазовращателя 18 соединен с выходом второго УПЧ 12. Последовательно соединенные третий смеситель 21 и третий УПЧ 22, выход которого соединен со вторыми входами четвертого 14, пятого 19 смесителей. При этом первые входы первого 1, второго 11 и третьего 21 смесителей соединены с антенной. Два выхода коммутатора 10 соединены с двумя входами блока АПЧ 9, выход которого соединен со входом первого гетеродина 6, выход которого соединен со вторым входом первого смесителя 1. Выход второго гетеродина 13 соединен со вторым входом второго смесителя 11. Выход третьего гетеродина 17 соединен со вторым входом третьего смесителя 21. Первый выход синхронизатора 8 соединен с управляющим входом второго гетеродина 13. Второй выход синхронизатора 8 соединен с управляющими входами первого 6 и третьего 17 гетеродинов. Третий выход синхронизатора 8 соединен со входом генератора опорных сигналов 7, выход которого соединен со вторым входом блока корреляторов 3. Четвертый выход синхронизатора 8 соединен с третьим входом блока корреляторов 3 и со вторым входом демодулятора 4. Вход синхронизатора 8 соединен с выходом блока корреляторов 3.

Устройство-прототип работает следующим образом.

Принятый сигнал поступает одновременно на входы первого 1, второго 11 и третьего 21 смесителей, на вторые входы которых поступают сигналы с гетеродинов 6,13 и 17 соответственно. Причем частота второго 13 гетеродина равна
f_г2=f_c-f_п4,
а частота третьего 17 гетеродина равна
f_г3=f_c+f_п4,
где f_c - частота принимаемого сигнала;
f_п4 - промежуточная частота, получаемая в процессе преобразования, выделяемая фильтрами УПЧ.

При наличии эффекта Доплера частота принимаемого сигнала будет равна
f_c±f_g,
где f_g - частота, обусловленная эффектом Доплера.

Тогда в процессе преобразования на выходах второго 11 и третьего 21 смесителей будем иметь соотношения
(f_c+f_g)-f_г2=f_п4
или
f_c-f_г2=f_п4-f_g.

Аналогично
f_г3-(f_c+f_g)=f_п4
или
f_г3-f_c=f_п4+f_g.

На выходах смесителей, естественно, будут другие частотные комбинации, но в данном случае интересуют только эти.

Сигналы с частотами (f_п4-f_g) и (f_п4+f_g) усиливаются в усилителях промежуточной частоты 12 и 22 и выделяются фильтрами, имеющимися в данных УПЧ.

Для простоты рассуждений взят случай, когда частота принимаемого сигнала увеличивается за счет эффекта Доплера.

Сигналы с выходов второго 12 и третьего 22 УПЧ поступают на входы смесителя 14, на выходе которого стоит фильтр 15, настроенный на частоту (f_п4+f_g)-(f_п4-f_g)=2f_g.

Сигналы с выхода УПЧ 12, кроме того, через фазовращатель 18 на 90^o поступают на первый вход смесителя 19, на второй вход которого подается сигнал с выхода УПЧ 22. Фильтр 20, стоящий на выходе смесителя 19, также настроен на частоту 2f_g. Таким образом, на выходах фильтров 15 и 20 имеется сигнал одинаковой частоты, но сдвинут друг относительно друга на 90^o.

Следовательно, когда частота принимаемого сигнала увеличивается за счет эффекта Доплера, на выходе УПЧ 12 будет выделяться сигнал с частотой f_c-f_г2= f_п4-f_g, а на выходе УПЧ 22 - с частотой f_г3-f_c=f_п4+f_g, а когда частота принимаемого сигнала будет уменьшаться за счет эффекта Доплера, на выходе УПЧ 12 будет выделяться сигнал с частотой (f_c-f_g)-f_г2=f_п4+f_g, а на выходе УПЧ 22 - с частотой f_г3-(f_c-f_g)=f_п4-f_g.

Подавая сигнал с выходов УПЧ 12 и УПЧ 22 на смесители 14 и 19, на выходах фильтров 15 и 20 всегда будет присутствовать сигнал с двойной частотой, обусловленной эффектом Доплера. Но так как в процессе преобразования в смесителях 14 и 19 выделяется всегда разностная частота двух промежуточных частот, то кроме абсолютной величины этой разностной частоты необходимо знать еще и знак этой разности. Для определения знака сигнала с выходов фильтров 15 и 20 подаются на входы фазового детектора 16, на выходе которого выделяется постоянное напряжение того или иного знака. Напряжение с выхода фазового детектора со знаком плюс или минус поступает на управляющий вход коммутатора 10, с помощью которого коммутируется сигнал с фильтра 15 на первый или второй вход блока АПЧ 9.

Блок АПЧ 9 в своем составе содержит два управляющих элемента, один из которых подстраивает частоту гетеродина 6 вниз, а второй - вверх, в зависимости от знака напряжения на выходе фазового детектора 16.

Принятый сигнал одновременно поступает на вход смесителя 1 основного канала, на второй вход которого подается сигнал с гетеродина 6. На выходе смесителя 1 выделяется необходимая промежуточная частота. Сигнал промежуточной частоты с выхода смесителя 1 поступает на усилитель промежуточной частоты - УПЧ 2, где усиливается до необходимой величины и затем подается на блок корреляторов 3.

В блоке корреляторов 3, который состоит из перемножителей и интеграторов, производится оптимальная обработка этого сигнала, обеспечивающая высокую помехоустойчивость приема. На второй вход блока корреляторов 3 подается опорный сигнал с генератора 7 опорных сигналов в виде ФМ ШПС. Сигнал с выхода блока корреляторов 3 поступает в синхронизатор 8 и демодулятор 4.

Синхронизатор 8 осуществляет поиск ФМ сигнала по частоте, для чего перестраивает частоту гетеродина 6 и управляет работой генератора 7 опорных сигналов для поиска сигнала по времени. После окончания поиска и вхождения в синхронизм на выходе блока корреляторов 3 будет напряжение телефонного сообщения в виде ШИМ сигнала, который подается на вход демодулятора 4. С выхода демодулятора 4 информационный сигнал - телефонное сообщение - передается получателю информации 6. Синхронизатор 8, кроме указанных выше гетеродина 6 и генератора копий сигнала 7, синхронизирует работу блока корреляторов 3 и демодулятор 4.

Но данное устройство-прототип имеет тот недостаток, что при наличии эффекта Доплера, частота гетеродина основного канала корректируется, а длительность сигнала опорного генератора не корректируется, что может вывести из синхронизма этот опорный сигнал с принимаемым сигналом.

Указанный недостаток устраняется за счет того, что в устройство, содержащее последовательно соединенные первый смеситель, первый усилитель промежуточной частоты, блок корреляторов, демодулятор и получатель информации, последовательно соединенные второй смеситель, второй усилитель промежуточной частоты, четвертый смеситель и первый фильтр, выход которого соединен с первым входом фазового детектора и вторым входом коммутатора, последовательно соединенные фазовращатель на 90^o, пятый смеситель, второй фильтр, выход которого соединен со вторым входом фазового детектора, выход которого соединен с первым входом коммутатора, при этом вход фазовращателя на 90^o соединен с выходом второго усилителя промежуточной частоты, последовательно соединенные третий смеситель и третий усилитель промежуточной частоты, выход которого соединен со вторыми входами четвертого и пятого смесителей, кроме того, входы первого, второго и третьего смесителей соединены с антенной, два выхода коммутатора соединены с соответствующими входами блока автоматической подстройки частоты, выход которого соединен со входом первого гетеродина, выход которого соединен со вторым входом первого смесителя, первый выход синхронизатора соединен с управляющим входом второго гетеродина, выход которого соединен со вторым входом второго смесителя, второй выход синхронизатора соединен с управляющими входами первого и третьего гетеродина, выход которого соединен со вторым входом третьего смесителя, третий выход синхронизатора соединен со входом генератора опорного сигнала, выход которого соединен со вторым входом блока корреляторов, четвертый выход синхронизатора соединен с третьим входом блока корреляторов и вторым входом демодулятора, выход блока корреляторов соединен с первым входом синхронизатора, введены последовательно соединенные генератор, управляемый напряжением, и шестой смеситель. Причем вход генератора, управляемого напряжением, соединен с выходом фазового детектора, второй вход шестого смесителя соединен с выходом опорного генератора, а выход жесткого смесителя соединен со вторым входом синхронизатора.

На фиг. 2 приведена функциональная схема предлагаемого устройства, где обозначено:
1, 11, 21, 14, 19, 23 - первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой смеситель;
2, 12, 22 - первый, второй и третий усилитель промежуточной частоты (УПЧ);
3 - блок корреляторов;
4 - демодулятор;
5 - получатель информации, 6, 13, 17 - первый, второй и третий гетеродин;
7 - генератор опорных сигналов;
8 - синхронизатор, содержащий генератор тактовых и опорных сигналов 8₁ и опорный генератор 8₂;
9 - блок автоматической подстройки частоты;
10 - коммутатор;
15, 20 - первый и второй фильтр;
16 - фазовый детектор;
18 - фазовращатель на 90^o;
24 - генератор, управляемый напряжением (ГУН).

Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные первый смеситель 1, первый УПЧ 2, блок корреляторов 3, демодулятор 4 и получатель информации 5, последовательно соединенные второй смеситель 11, второй УПЧ 12, четвертый смеситель 14 и первый фильтр 15, выход которого соединен с первым входом фазового детектора 16 и вторым входом коммутатора 10. Кроме того, содержит последовательно соединенные фазовращатель на 90^o 18, пятый смеситель 19, второй фильтр 20, выход которого соединен со вторым входом фазового детектора 16, выход которого соединен с первым входом коммутатора 10 и входом генератора, управляемого напряжением 24. При этом вход фазовращателя 18 соединен с выходом второго УШ 12. Последовательно соединенные третий смеситель 21 и третий УПЧ 22, выход которого соединен со вторыми входами четвертого 14 и пятого 19 смесителей. Первые входы первого 1, второго 11 и третьего 21 смесителей соединены с антенной. Два выхода коммутатора 10 соединены с соответствующими входами блока автоматической подстройки частоты 9, выход которого соединен со входом первого гетеродина 6, выход которого соединен со вторым входом первого смесителя 1.

Первый выход синхронизатора 8 соединен с управляющим входом второго гетеродина 13, выход которого соединен со вторым входом второго смесителя 11. Второй выход синхронизатора 8 соединен с управляющими входами первого 6 и третьего 17 гетеродина, выход которого соединен со вторым входом третьего смесителя 21. Третий выход синхронизатора 8 соединен со входом генератора опорных сигналов 7, выход которого соединен со вторым входом блока корреляторов 3. Четвертый выход синхронизатора 8 соединен с третьим входом блока корреляторов 3 и вторым входом демодулятора 4. Первый вход синхронизатора соединен с выходом блока корреляторов 3. Выход генератора, управляемого напряжением 24, соединен с первым входом шестого смесителя 23, выход которого соединен со вторым входом синхронизатора 8, а второй вход шестого смесителя 23 соединен с выходом опорного генератора 8₂.

Работает предлагаемое устройство следующим образом.

Принятый сигнал поступает одновременно на входы первого 1, второго 11 и третьего 21 смесителей, на вторые входы которых поступают сигналы с гетеродинов 6, 13, 17 соответственно. Причем частота второго 13 гетеродина равна
f_г2=f_c-f_п4,
а частота третьего гетеродина 17 равна
f_г3=f_c+f_п4,
где f_c - частота принимаемого сигнала;
f_п4 - промежуточная частота, получаемая в процессе преобразования, выделяемая фильтрами УПЧ.

При наличии эффекта Доплера частота принимаемого сигнала будет равна f_c±f_g,
где f_g - частота, обусловленная эффектом Доплера.

Тогда в процессе преобразования на выходах второго 11 и третьего 21 смесителей будет иметь соотношения
(f_c+f_g)-f_г2=f_п4
или
f_c-f_г2=f_п4-f_g.

Аналогично
f_г3-(f_c+f_g)=f_п4
или
f_г3-f_c=f_п4+f_g.

На выходах смесителей соответственно будут и другие частотные комбинации, но в данном случае интересуют только эти.

Сигналы с частотами f_п4-f_g и f_п4+f_g усиливаются в усилителях промежуточной частоты 12 и 22 и выделяются фильтрами, имеющимися в данных УПЧ.

Для простоты рассуждений взят случай, когда частота принимаемого сигнала увеличивается за счет эффекта Доплера.

Сигналы с выходов второго 12 и третьего 22 УПЧ поступают на входы смесителя 14, на выходе которого стоит фильтр 15, настроенный на частоту (f_п4+f_g)-(f_п4-f_g)=2f_g.

Сигналы с выхода УПЧ 12, кроме того, через фазовращатель 18 на 90^o поступает на первый вход смесителя 19, на второй вход которого подается сигнал с выхода УПЧ 22. Фильтр 20, стоящий на выходе смесителя 19, также настроен на частоту 2f_g. Таким образом, на выходах фильтров 15 и 20 имеется сигнал одинаковой частоты, но сдвинута друг относительно друга на 90^o.

Следовательно, когда частота принимаемого сигнала увеличивается за счет эффекта Доплера, на выходе УПЧ 12 будет выделяться сигнал с частотой f_c-f_г2= f_п4-f_g, а на выходе УПЧ 22 - с частотой f_г3-f_c=f_п4+f_g, а когда частота принимаемого сигнала будет уменьшаться за счет эффекта Доплера, на выходе УПЧ 12 будет выделяться сигнал с частотой (f_c-f_g)-f_г2=f_п4+f_g, а на выходе УПЧ 22 - с частотой f_г3-(f_c-f_g)=f_п4-f_g.

Подавая сигнал с выходов УПЧ 12 на смесители 14 и 19, на выходах фильтров 15 и 20 всегда будет присутствовать сигнал с двойной частотой, обусловленной эффектом Доплера. Но так как в процессе преобразования в смесителях 14 и 19 выделяется всегда разностная частота двух промежуточных частот, то кроме абсолютной величины этой разностной частоты необходимо знать еще и знак этой разности. Для определения знака сигнала с выходов фильтров 15 и 20 сигналы подаются на входы фазового детектора 16, на выходе которого выделяется постоянное напряжение того или иного знака. Напряжение с выхода фазового детектора со знаком плюс или минус поступает на управляющий вход коммутатора 10, с помощью которого коммутируется сигнал с фильтра 15 на первый или второй вход блока АПЧ 9.

Блок АПЧ 9 в своем составе содержит два управляющих элемента, один из которых подстраивает частоту гетеродина 6 вниз, а второй - вверх, в зависимости от знака напряжения на выходе фазового детектора 16.

Принятый сигнал одновременно поступает на вход смесителя 1 основного канала, на второй вход которого подается сигнал с гетеродина 6. На выходе смесителя 1 выделяется необходимая промежуточная частота. Сигнал промежуточной частоты с выхода смесителя 1 поступает на усилитель промежуточной частоты - УПЧ 2, где усиливается до необходимой величины и затем подается на блок корреляторов 3. В блоке корреляторов 3, который состоит из перемножителя и интеграторов, производится оптимальная обработка этого сигнала, обеспечивающая высокую помехоустойчивость приема. На второй вход блока корреляторов 3 подается опорный сигнал с генератора 7 опорных сигналов в виде ФМ ШПС. При наличии эффекта Доплера частота гетеродина основного канала корректируется, а для корректировки длительности сигнала опорного генератора 7 сигнал с выхода фазового детектора 16 подается на генератор управляемого напряжением 24, частота которого меняется в зависимости от величины напряжения с выхода фазового детектора и знака. Этот сигнал поступает на один из входов шестого смесителя 23, на второй вход которого поступает сигнал с опорного генератора 8₂. Сигнал с выхода смесителя 23 подается на генератор опорных и тактовых сигналов 8₁. И таким образом длительность импульсов опорного сигнала меняется в ту или другую сторону в зависимости от величины и знака сигнала, обусловленного эффектом Доплера.

Сигнал с выхода блока корреляторов 3 поступает в синхронизатор 8 и демодулятор 4. Синхронизатор 8 осуществляет поиск ФМ сигнала по частоте, для чего перестраивает частоту гетеродина 6 и управляет работой генератора 7 опорных сигналов для поиска сигнала по времени. После окончания поиска и вхождения в синхронизм на выходе блока корреляторов 3 будет напряжение телефонного сообщения в виде ШИМ сигнала, который подается на вход демодулятора 4. С выхода демодулятора 4 информационный сигнал - телефонное сообщение - передается получателю информации 5. Синхронизатор 8, кроме указанных выше гетеродина 6 и генератора копий сигнала 7, синхронизирует работу блока корреляторов 3 и демодулятор 4.

Таким образом, если в устройстве-прототипе при наличии эффекта Доплера может выйти из синхронизма из-за разности длительностей принимаемого информационного сигнала и сигнала опорного генератора, то предлагаемое устройство устраняет этот недостаток.

Устройство относится к радиотехнике и может быть использовано для приема информации по каналам связи, преимущественно на подвижных объектах. В устройство введены последовательно соединенные генератор, управляемый напряжением 24, и шестой смеситель С 23, второй вход которого соединен с выходом опорного генератора 8₂, содержащегося в синхронизаторе, а выход С 23 соединен со вторым входом синхронизатора 8, причем генератор 24 соединен с выходом фазового детектора 16. Технический результат заключается в том, что эти меры позволили при наличии эффекта Доплера избежать выхода из синхронизма принимаемого сигнала и опорного сигнала. 2 ил.

Приемное устройство ФМ сигналов, содержащее последовательно соединенные первый смеситель, первый усилитель промежуточной частоты, блок корреляторов, демодулятор и получатель информации, последовательно соединенные второй смеситель, второй усилитель промежуточной частоты, четвертый смеситель и первый фильтр, выход которого соединен с первым входом фазового детектора и вторым входом коммутатора, последовательно соединенные фазовращатель на 90^o, пятый смеситель, второй фильтр, выход которого соединен со вторым входом фазового детектора, выход которого соединен с первым входом коммутатора, при этом вход фазовращателя на 90^o соединен с выходом второго усилителя промежуточной частоты, последовательно соединенные третий смеситель и третий усилитель промежуточной частоты, выход которого соединен со вторыми входами четвертого и пятого смесителей, кроме того, входы первого, второго и третьего смесителей соединены с антенной, два выхода коммутатора соединены с соответствующими входами блока автоматической подстройки частоты, выход которого соединен со входом первого гетеродина, выход которого соединен со вторым входом первого смесителя, первый выход синхронизатора соединен с управляющим входом второго гетеродина, выход которого соединен со вторым входом второго смесителя, второй выход синхронизатора соединен с управляющими входами первого и третьего гетеродинов, выход третьего гетеродина соединен со вторым входом третьего смесителя, третий выход синхронизатора соединен со входом генератора опорных сигналов, выход которого соединен со вторым входом блока корреляторов, четвертый выход синхронизатора соединен с третьим входом блока корреляторов и вторым входом демодулятора, выход блока корреляторов соединен с первым входом синхронизатора, отличающееся тем, что введены последовательно соединенные генератор, управляемый напряжением, и шестой смеситель, выход которого соединен со вторым входом синхронизатора, вход генератора, управляемого напряжением, соединен с выходом фазового демодулятора, второй вход шестого смесителя соединен с выходом опорного генератора.