СПОСОБ ДЕКОДИРОВАНИЯ СИГНАЛА И УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК H03D1/00 F42B15/01 

Изобретение относится к способу и системам управления летательными аппаратами с пункта управления, связанным с декодированием сигнала (команд наведения) с широтно-импульсной модуляцией и частотной манипуляцией гармонического колебания (ШИМ-ЧМн) на борту ракеты, применяемым в оптических линиях связи, либо с дополнительной амплитудной модуляцией несущего колебания (ШИМ-ЧМн-АМ) - в аналоговых радиолиниях, а также в теленаведении (управление по лучу).

Известны способ декодирования сигнала ШИМ-ЧМн и устройство, основанное на нем, используемые в приемном тракте радиолинии ШИМ-ЧМн-АМ [1]. Способ декодирования сигнала заключается в том, что фильтруют ШИМ-ЧМн сигнал постоянной амплитуды на рабочей частоте, детектируют, а затем выделяют постоянную составляющую, несущую информацию о величине команды.

Известный приемный тракт радиолинии ШИМ-ЧМн-АМ состоит из последовательно соединенных приемника и аппаратуры разделения каналов и декодирования. Приемник состоит из высокочастотного преобразователя (по сути усилителя), охваченного автоматической регулировкой усиления (АРУ), подключенного ко входу амплитудного детектора. В аппаратуру разделения каналов и декодирования входят два идентичных канала, каждый из которых состоит из двух избирательных фильтров F₁₁, F₂₁ (F₁₂, F₂₂), двух амплитудных детекторов, триггера и фильтра низкой частоты (ФНЧ), при этом выход фильтра F₁₁(F₁₂) соединен со входом первого амплитудного детектора, выход второго фильтра F₂₁ (F₂₂) соединен со входом второго амплитудного детектора, выходы первого и второго амплитудных детекторов соединены соответственно с первым и вторым входами триггера, а выход триггера - со входом ФНЧ, входы фильтров F₁₁, F₂₁, F₁₂ и F₂₂ из обоих каналов объединены и подключены к выходу приемника.

Выходные сигналы с ФНЧ из обоих каналов U_k1 и U_k2 являются постоянными (медленно меняющимися) напряжениями по курсу “Z” и тангажу “Y”, соответствующими координатам места нахождения управляемого объекта относительно нуля в декартовых координатах “Z0Y”, где нуль - точка, в которую наводится объект.

Таким образом, приемный тракт радиолинии ШИМ-ЧМн-АМ по выполняемой функции является устройством измерения (выделения) координат места нахождения объекта относительно точки наведения.

Недостатками способа декодирования сигнала и устройства, реализующего его, является то, что они обладают низкой помехоустойчивостью из-за сложной реализации высокоизбирательных фильтров F₁₁ - F₁₂, a также низкой точностью декодирования сигнала ШИМ-ЧМн, приводящей к искажениям декодируемых команд, в том числе смещению нулевого уровня напряжения из-за асимметрии коэффициентов передачи, что требует балансировки демодулятора.

Задачей настоящего изобретения способа и устройства является повышение помехоустойчивости и точности декодирования сигналов при использовании низкоизбирательной фильтрации.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе декодирования сигнала, заключающемся в фильтровании сигнала на рабочей частоте и выделении постоянной составляющей, выставляют величину порога пропускания для фильтрованного гармонического сигнала меньше амплитуды этого сигнала, но больше максимальной амплитуды помехи, сравнивают гармонический сигнал с порогом пропускания, а затем преобразуют гармонический сигнал, превышающий по амплитуде величину порога пропускания, в импульсы прямоугольной формы длительностью (τ_и), равной

где U_пp - величина напряжения порога пропускания,

Uc - амплитуда гармонического сигнала, сравниваемая с величиной порога пропускания,

Т - период повторения сигнала,

при этом

Заявленный способ реализуется следующим образом.

Фильтруют с помощью полосового фильтра входной сигнал, выделяя тем самым пачку синусоидального сигнала с частотой, на которую настроен этот фильтр. Амплитуда сигнала в этой пачке, например, постоянная, а длительность изменяется прямо пропорционально передаваемой команде. Этот сигнал поступает на пороговое устройство, например компаратор, уровень срабатывания которого (U_пp) постоянен и меньше амплитуды сигнала U_c в пачке. Таким образом, на выходе компаратора будут пачки импульсов прямоугольной формы длительностью τ_и постоянной амплитуды, например однополярные и равные по амплитуде величине источника питания, при этом скважность импульсов (Q) в пачке будет постоянная (при U_пp/U_c=const), а длительность пачки (огибающая этих импульсов) - величина команды. При подаче сигнала с выхода компаратора на фильтр низких частот выделится постоянная составляющая, т.е. величина команды, которая будет иметь максимальную величину при большой длительности пачки и минимальную (вплоть до нулевого значения) - при малой (ее отсутствии). В случае наличия дополнительного постоянного смещения, соответствующего значению половины команды, величина сигнала на выходе фильтра низких частот будет знакопеременной в зависимости от длительности пачки.

Как следует из изложенного, для реализации команд с разными знаками требуются две идентичные цепи, отличающиеся частотой настройки полосовых фильтров, в соответствии с которой формируют свой (положительный либо отрицательный) знак команды, либо одна, но при этом требуется дополнительное постоянное смещение. Возможны и иные реализации.

Величина порога пропускания выбирается исходя из отношения U_пр/U_c<1, где U_c - амплитуда гармонического сигнала на входе порогового устройства. Кроме того, должно быть U_пp>U_пом, где U_пом - максимальная амплитуда помехи.

Устройство измерения координат, реализующее этот способ, содержит последовательно соединенные приемник и усилитель с АРУ, а также два идентичных канала, в каждый из которых входят два избирательных фильтра и ФНЧ, в него введены источник опорного напряжения, а в каждый канал два компаратора, два транзисторных ключа, инвертор и сумматор, при этом выход усилителя с АРУ соединен со входами избирательных фильтров обоих каналов, выход первого избирательного фильтра соединен с первым входом первого компаратора, выход второго избирательного фильтра соединен с первым входом второго компаратора, выход первого компаратора через первый транзисторный ключ соединен с первым входом сумматора, выход второго компаратора подключен ко входу инвертора, выход которого через второй транзисторный ключ соединен со вторым входом сумматора, а выход сумматора подключен ко входу ФНЧ, при этом вторые входы компараторов из обоих каналов соединены с источником опорного напряжения.

Предлагаемое устройство поясняется чертежами (фиг.1, 2 и 3).

На фиг.1 приведена структурная электрическая схема устройства измерения координат, где представлены: 1 - приемник; 2 - усилитель с АРУ; 3а, 3б, 3в и 3г - избирательные усилители, настроенные на частоты F₁₁, F₂₁, F₁₂ и F₂₂ соответственно; 4а, 4б, 4в и 4г - компараторы; 5а и 5б -инверторы; 6а, 6б, 6в и 6г - транзисторные ключи; 7а и 7б - сумматоры; 8а и 8б - ФНЧ; Е_о - источник опорного напряжения.

На фиг.2 приведены эпюры сигналов, где а - на первом и втором входах компаратора, б - на выходе компаратора.

На фиг.3 приведена амплитудно-частотная характеристика избирательных фильтров 3а и 3б (пунктир) и компараторов 4а и 4б условно по выходу ФНЧ 8 (сплошная линия).

Выход приемника 1 через усилитель с АРУ 2 подключен ко входам избирательных фильтров 3а и 3б из первого канала и 3в и 3г из второго. Выходы избирательных фильтров 3а и 3б соединены с первыми входами компараторов соответственно 4а и 4б, выход первого компаратора 4а через первый транзисторный ключ 6а соединен с первым входом первого сумматора 7а, выход второго компаратора 4б подключен ко входу первого инвертора 5а, выход которого через второй транзисторный ключ 6б соединен со вторым входом первого сумматора 7а, а выход сумматора 7а - ко входу ФНЧ 8а. Выходы избирательных фильтров 3в и 3г соединены с первыми входами компараторов соответственно 4в и 4г, выход третьего компаратора 4в через третий транзисторный ключ 6в соединен с первым входом второго сумматора 7б, выход четвертого компаратора 4г подключен ко входу второго инвертора 5б, выход которого через четвертый транзисторный ключ 6г соединен со вторым входом второго сумматора 7б, а выход сумматора 7б подключен ко входу ФНЧ 8б. Вторые входы компараторов 4а, 4б, 4в и 4г соединены с источником опорного напряжения Е_о.

Приемник 1 может быть выполнен на фотодиоде, например ФД-342 с резистором в качестве нагрузки, который подключен к малошумящему усилителю с полосой пропускания от минимального до максимального значений частоты сигналов с ЧМн. Усилитель с АРУ 2 может быть выполнен как обычный усилитель с АРУ с задержкой, либо без задержки (с обратной связью), либо как усилитель без обратной связи и т.д.

Источник опорного напряжения Е_о может быть выполнен как последовательно соединенные резистор и стабилитрон, при этом вторые выводы резистора и стабилитрона подключены соответственно к источнику питания и корпусу; либо как стабилизатор напряжения на микросхеме К142ЕН5 и т.д. В качестве компараторов 4а-4г можно использовать микросхему, например К521СА3. Инверторы 5а и 5б могут быть выполнены как транзисторные ключи по схеме с общим эмиттером, транзисторные ключи 6а (6в) и 6б (6г) могут быть выполнены на транзисторах разного типа проводимости соответственно.

Сумматор 7а (7б) может быть выполнен на резисторах. ФНЧ 8а (8б) можно выполнить на операционном усилителе, например микросхеме К140УД6 (ФНЧ второго порядка на основе ИНУН).

Устройство работает следующим образом.

Оптический сигнал, модулированный ШИМ-ЧМн, поступает на вход приемника 1, преобразуется в электрический сигнал, фильтруется в полосе принимаемых частот и усиливается по напряжению, при этом усилителем с АРУ 2 поддерживается постоянной величина амплитуды этого сигнала на входе избирательных фильтров 3а-3г. Избирательные фильтры, каждый из которых настроен на свою частоту F₁₁, F₂₁, F₁₂ и F₂₂, выделяют из сигнала ШИМ-ЧМн сигнал ШИМ, модулированный соответственно своей частотой. Таким образом на выходах избирательных фильтров 3а-3г поочередно образуются пачки импульсов, длительностью τ₁₁, τ₂₁, τ₁₂ и τ₂₂, заполненные синусоидальными сигналами с частотами соответственно F₁₁, F₂₁. F₁₂ и F₂₂, при этом τ₁₁+τ₁₂=τ₁₂+τ₂₂=const. Длительность пачки - величина команды, наличие этой пачки со своей частотой на выходе избирательного фильтра F₁₁, F₂₁, F₁₂ и F₂₂ - знак команды и принадлежность к первому (“Z”) или второму (“Y”) каналам. Поскольку используется временное разделение каналов, то все четыре пачки во времени разнесены и не образуют комбинационных частот.

Пачки синусоидального сигнала поочередно поступают на соответствующие компараторы (4а, 4б, 4в и 4г). Поскольку амплитуда этого сигнала превышает уровень срабатывания (E_ср,) компараторов (задается источником опорного напряжения Е₀), то на их выходах образуются пачки прямоугольных импульсов с частотами соответственно F₁₁, F₂₁, F₁₂ и F₂₂. С выхода первого компаратора 4а сигнал поступает на транзисторный ключ 6а, который нормирует его относительно нулевого уровня по амплитуде, например положительной, и подает на первый вход сумматора 7а. С выхода второго компаратора 4б сигнал поступает на вход инвертора 5а, изменяет свою полярность и далее нормируется ключом 6б относительно нулевого уровня по отрицательной амплитуде и поступает на второй вход сумматора 7а.

Таким образом, сумматор 7а суммирует импульсы положительной полярности с частотой F₁₁ и отрицательной с частотой F₂₁, при этом в моменты следования импульсов в другом канале с частотами F₁₂ и F₂₂ на выходе сумматора 7а сигнал равен нулю. Суммарный сигнал поступает на ФНЧ 8а, который выделяет постоянную (медленно меняющуюся) составляющую сигнала в первом канале. Аналогично и во втором канале для частот F₁₂ и F₂₂.

Следовательно, на двух выходах устройства формируется два напряжения, которые соответствуют двум координатам (“Z” и “Y”), а величина этого напряжения прямо пропорциональна отклонению объекта относительно нуля координат (точки наведения).

Скважность прямоугольных импульсов (в пачке) на выходе компараторов 4 (см. фиг.2) определяется как

где - период повторения сигнала,

F_i = F₁₁, F₂₁, F₁₂ и F₂₂,

U_c - амплитуда синусоидального сигнала на первых входах компараторов 4,

U_пp - величина напряжения срабатывания компараторов, задаваемая источником опорного напряжения Е_о, т.е. величина напряжения на вторых входах компараторов 4.

При отклонении частоты сигнала от F_i будет уменьшаться U_c и, как следствие, расти Q, а значит уменьшаться постоянная составляющая напряжения на выходах устройства. А поскольку влияние скважности на величину сигнала по выходу ФНЧ 8 линейное, то условно (для компараторов) на фиг.3 по оси ординат изображено изменение амплитуды А при U_c>0,5 U_пp. Следовательно, компараторы 4, отсекая, например по уровню 0,5 АЧХ своего избирательного фильтра (U_пр/U_вx=0,5) не пропускают сигналы с частотой, близко расположенной к частоте настройки фильтра, но ослабленных этим фильтром более чем в два раза, т.е. по выходу ФНЧ сквозная амплитудно-частотная характеристика будет иметь идеальную избирательность, например для сигнала соседней частоты.

Влияние нестабильности амплитуды синусоидального сигнала на входе компараторов (ΔU_с) на скважность формируемых импульсов определяется как:

где

При U_пp/U_c=0,5 и ΔU_c=±0,1 U_c получим δ_Q=±5%, т.е. изменение амплитуды сигнала на выходе избирательных фильтров 2 на 10% приводит к изменению скважности на 5%.

Следовательно, вдвое по сравнению с прототипом повышена точность выделения команд.

Амплитуда импульсов на выходе транзисторных ключей 6 равна величине источника питания Е за вычетом падения напряжения на них (U_ocт). Влияние нестабильности остаточного напряжения (U_ocт) на величину амплитуды импульсов на выходе ключей менее 1%, поскольку Е на два порядка превышает ΔU_ост. Кроме того, из-за достаточно высокой симметрии ΔU_ост на выходе транзисторных ключей 6а и 6б (6в и 6г) эта величина скомпенсируется.

Следовательно, в связи с тем, что в способе декодирования сигнала выставляют величину порога пропускания для гармонического сигнала (по выходу фильтра) больше максимальной амплитуды помехи, но меньше амплитуды этого фильтрованного сигнала, сравнивают сигнал с порогом пропускания, а затем преобразуют гармонический сигнал, превышающий по амплитуде величину порога пропускания, в импульсы прямоугольной формы длительностью при U_пр/U_c=const, повышается помехоустойчивость, а также точность выделения команд при декодировании, при этом в качестве полосового фильтра можно применить фильтр самого низкого (второго) порядка.

Введение в устройство измерения координат источника опорного напряжения, четырех компараторов, двух инверторов, четырех транзисторных ключей и двух сумматоров повысило помехоустойчивость устройства за счет повышения избирательности в декодирующих каналах; повысило точность измерения координат, т.к. значительно уменьшена асимметрия по избирательным фильтрам (в них применены полосовые фильтры второго порядка), практически полная симметрия цепей от компаратора до ФНЧ и ослаблено вдвое влияние нестабильности величины амплитуды синусоидального сигнала на входах компараторов. Кроме того, расширены функциональные возможности устройства, т.к. его можно применить с тем же техническим эффектом в радиолиниях с ШИМ-ЧМн-АМ.

Источники информации

1. "Основы радиоуправления", под редакцией Вейцеля В.А. и Типугина В.Н., Москва, "Советское радио", 1973г., с.240-245, рис.4.24, 4.25.

Изобретение относится к способу и системам управления летательными аппаратами с пункта управления, связанным с декодированием сигнала (команд наведения) с широтно-импульсной модуляцией и частотной манипуляцией гармонического колебания (ШИМ-ЧМн) на борту ракеты, применяемым в оптических линиях связи, либо с дополнительной амплитудной модуляцией несущего колебания (ШИМ-ЧМн-АМ) - в аналоговых радиолиниях. Достигаемый технический результат заключается в повышении помехоустойчивости и точности измерения координат, при этом ослаблено вдвое влияние нестабильности величины амплитуды синусоидального сигнала. Способ декодирования сигнала заключается в фильтровании сигнала на рабочей частоте и выделении постоянной составляющей, при этом выставляют величину порога пропускания для фильтрованного гармонического сигнала меньше амплитуды этого сигнала, но больше максимальной амплитуды помехи, сравнивают сигнал с порогом пропускания, преобразуют гармонический сигнал, превышающий по амплитуде величину порога пропускания, в импульсы прямоугольной формы длительностью (τ_и), равной где U_пр - величина напряжения порога пропускания, U_с - амплитуда гармонического сигнала, сравниваемая с величиной порога пропускания, Т - период повторения сигнала. Устройство для осуществления способа содержит приемник (1), усилитель с АРУ(2), два идентичных канала, в каждый из которых входят два избирательных фильтра (3) и ФНЧ (8), два компаратора (4), два транзисторных ключа (6), инвертор (5) и сумматор (7), источник опорного напряжения. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ декодирования сигнала, заключающийся в фильтровании сигнала на рабочей частоте и выделении постоянной составляющей, отличающийся тем, что выставляют величину порога пропускания для фильтрованного гармонического сигнала меньше амплитуды этого сигнала, но больше максимальной амплитуды помехи, сравнивают амплитуду гармонического сигнала с порогом пропускания а затем преобразуют гармонический сигнал, превышающий по амплитуде величину порога пропускания, в импульсы прямоугольной формы длительностью τ_и, равной

где U_пр - величина напряжения порога пропускания,

U_с - амплитуда гармонического сигнала, сравниваемая с величиной порога пропускания;

Т - период повторения сигнала, при этом U_пр/U_c=const.