УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ПО РАДИОТЕХНИКЕ Российский патент 2008 года по МПК G09B23/18 

Предлагаемое устройство относится к учебным приборам и тренажерам по радиотехнике и позволяет наглядно демонстрировать режимы последовательного поиска импульсных сигналов по частоте, принципы образования дополнительных каналов приема в панорамном приемнике, методы и средства их подавления.

Известны устройства, используемые в качестве учебных приборов (авт. свид. СССР №№1.495.720, 1.770.974; патенты РФ №№2.003.181, 2.051.425, 2.260.193 и др.).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Учебный прибор по радиотехнике» (патент РФ №2.260.193, G01S 7/40, 2004), который и выбран в качестве прототипа.

Указанное устройство позволяет имитировать входные сигналы РЛС с различающимися временными параметрами, демонстрировать процессы поиска сигналов по частоте панорамным приемником, исследовать режимы последовательного поиска сигналов, демонстрировать принципы образования дополнительных каналов приема в панорамном приемнике, методы и средства их подавления.

Однако полное подавление ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному каналу, возможно только при идентичности приемных трактов.

В реальных условиях приемные тракты имеют различные характеристики и добиться полного подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному каналу, не представляется возможным.

Технической задачей изобретения является демонстрация полного подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному каналу, путем использования комплексной (амплитудно-фазовой) системы идентификации приемных трактов.

Поставленная задача решается тем, что учебный прибор по радиотехнике, содержащий, в соответствии с ближайшим аналогом, последовательно включенные первый высокочастотный генератор, модулятор, первый переключатель, первый сумматор, второй вход которого через второй переключатель соединен с выходом второго высокочастотного генератора, третий вход через третий переключатель соединен с выходом третьего высокочастотного генератора, четвертый вход через четвертый переключатель соединен с выходом четвертого высокочастотного генератора, и первый смеситель, второй вход которого через гетеродин соединен с первым выходом генератора развертки, последовательно подключенные к второму выходу гетеродина первый фазовращатель на 90° и второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, последовательно включенные второй усилитель промежуточной частоты, второй фазовращатель на 90°, второй сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, перемножитель, второй вход которого через пятый переключатель соединен с выходом первого сумматора, первый узкополосный фильтр, второй амплитудный детектор, ключ, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, первый амплитудный детектор, видеоусилитель и вертикально-отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки, горизонтально-отклоняющие пластины которой соединены с вторым выходом генератора развертки, при этом к выходу модулятора подключен первый счетчик, к первому выходу генератора развертки подключен второй счетчик, к выходу видеоусилителя подключен третий счетчик, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен пятым высокочастотным генератором, шестым переключателем, двумя регулируемыми фазовращателями, вторым и третьим узкополосными фильтрами, третьим и четвертым амплитудными детекторами, блоком вычитания, фильтром нижних частот, двумя инверсными усилителями, фазовым детектором и управляющим элементом, причем к выходу первого смесителя последовательно подключены первый регулируемый фазовращатель, первый усилитель промежуточной частоты, второй узкополосный фильтр, третий амплитудный детектор, блок вычитания, фильтр нижних частот и первый инверсный усилитель, два выхода которого соединены с управляющими входами первого и второго усилителей промежуточной частоты соответственно, к выходу второго смесителя последовательно подключены второй регулируемый фазовращатель, второй усилитель промежуточной частоты, третий узкополосный фильтр и четвертый амплитудный детектор, выход которого соединен с вторым входом блока вычитания, к выходу второго узкополосного фильтра последовательно подключены фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом третьего узкополосного фильтра, управляющий элемент и второй инверсный усилитель, два выхода которого соединены с управляющими входами первого и второго регулируемых фазовращателей соответственно, выход пятого высокочастотного генератора через шестой переключатель соединены с первыми входами регулируемых фазовращателей.

Структурная схема предлагаемого прибора представлена на фиг.1.

Частотная диаграмма, поясняющая принцип образования дополнительных каналов приема, показана на фиг.2.

Частотно-временные диаграммы, поясняющие режимы последовательного поиска импульсных сигналов по частоте, изображены на фиг.3 и 4.

Прибор содержит модель РЛС 1, последовательно включенные первый высокочастотный генератор 2, модулятор 3, первый переключатель 18, первый сумматор 17, второй вход которого через второй переключатель 19 соединен с выходом второго высокочастотного генератора 14, третий вход через третий переключатель 20 соединен с выходом третьего высокочастотного генератора 15, четвертый вход через четвертый переключатель 21 соединен с выходом четвертого высокочастотного генератора 16, первый смеситель 8, второй вход которого через гетеродин 7 соединен с первым выходом генератора 5 развертки, первый регулируемый фазовращатель 34, первый усилитель 9 промежуточной частоты, второй сумматор 27, перемножитель 28, второй вход которого через пятый переключатель 22 соединен с выходом первого сумматора 17, первый узкополосный фильтр 29, второй амплитудный детектор 30, ключ 31, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора 27, первый амплитудный детектор 10, видеоусилитель 11 и вертикально-отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки 13, горизонтально-отклоняющие пластины которой соединены с вторым выходом генератора 5 развертки, последовательно подключенные к второму выходу гетеродина 7 первый фазовращатель 23 на 90°, второй смеситель 24, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора 17, второй регулируемый фазовращатель 35, второй усилитель 25 промежуточной частоты и второй фазовращатель 26 на +90°, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора 27, последовательно подключенные к выходу первого усилителя 9 промежуточной частоты второй узкополосный фильтр 36, третий амплитудный детектор 38, блок 40 вычитания, фильтр 41 нижних частот и первый инверсный усилитель 42, два выхода которого соединены с управляющими входами первого 9 и второго 25 усилителей промежуточной частоты соответственно, последовательно подключенные к выходу второго усилителя 25 промежуточной частоты третий узкополосный фильтр 37 и четвертый амплитудный детектор 39, выход которого соединен с вторым входом блока 40 вычитания, последовательно подключенные к выходу второго узкополосного фильтра 36 фазовый детектор 43, второй вход которого соединен с выходом третьего узкополосного фильтра 37, управляющий элемент 44 и второй инверсный усилитель 45, два выхода которого соединены с управляющими входами первого 34 и второго 35 регулируемых фазовращателей соответственно, к выходу модулятора 3 подключен первый счетчик 4, к первому выходу генератора 5 развертки подключен второй счетчик 6, к выходу видеоусилителя 11 подключен третий счетчик 12, выход пятого высокочастотного генератора 32 через шестой переключатель 33 соединен с первыми входами регулируемых фазовращателей 34 и 35.

Прибор работает следующим образом.

Прибор позволяет демонстрировать три режима.

В первом режиме прибор позволяет демонстрировать процессы поиска сигналов по частоте панорамным приемником и исследовать режимы последовательного поиска сигналов.

Во втором режиме прибор позволяет демонстрировать наличие дополнительных каналов приема в панорамном приемнике.

В третьем режиме прибор позволяет демонстрировать методы и средства подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам.

В первом режиме прибор позволяет воспроизвести процесс обнаружения серий импульсных сигналов РЛС кругового обзора панорамным приемником. При этом переключатель 18 замыкается.

Высокочастотный сигнал

где U_c, f_c, ϕ_c - амплитуда, несущая частота и начальная фаза высокочастотного сигнала;

с выхода генератора 2 поступает на вход модулятора 3. Модель РЛС1, состоящая из последовательно включенных высокочастотного генератора 2 и модулятора 3, позволяет модулировать три различных периода обращения Т1, Т2, Т3 РЛС кругового обзора и соответственно три различных длительности импульсных пачек τ1, τ2, τ3, попадающих в зону обзора приемного устройства.

Далее промодулированный сигнал поступает через замкнутый переключатель 18 и сумматор 17 на первые входы смесителей 8 и 24, на вторые входы которых подаются напряжение гетеродина 7 линейно-изменяющейся частоты:

,

где U_Г, f_Г, ϕ_Г, T_П - амплитуда, начальная частота, начальная фаза и период повторения напряжения гетеродина;

- скорость перестройки частоты гетеродина 7 в заданном диапазоне частот Д_f; (фиг.3, 4).

Изменение частоты гетеродина 7 по линейному закону осуществляется с помощью генератора 5 развертки, в качестве которого используется генератор пилообразного напряжения. Генератор 5 развертки формирует горизонтальную развертку ЭЛТ 13. Это же напряжение поступает на счетчик 6 для регистрации числа перестроек гетеродина 7.

На выходах смесителей 8 и 22 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 9 и 25 выделяются напряжения промежуточной (разностной) частоты:

где

K₁ - коэффициент передачи смесителей;

f_пр=f_с-f_Г - промежуточная частота;

ϕ_пр=ϕ_с-ϕ_Г.

Напряжение u_пр2(t) с выхода усилителя 25 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 26 на 90°, на выходе которого образуется напряжение

Напряжения u_пр1(t) и u_пр3(t) поступают на два входа сумматора 27, на выходе которого образуется суммарное напряжение

,

где U_∑=2U_пр.

Это напряжение подается на второй вход перемножителя 28, на первый вход которого через замкнутый переключатель 22 поступает высокочастотный сигнал u_с(t) с выхода сумматора 17. На выходе перемножителя 28 образуется напряжение

,

где ;

K₁ - коэффициент передачи перемножителя,

которое выделяется узкополосным фильтром 29, детектируется амплитудным детектором 30 и поступает на управляющий вход ключа 31, открывая его. В исходном состоянии ключ 31 всегда закрыт. Частота настройки f_Н узкополосного фильтра 29 выбирается равной начальной частоте f_Г гетеродина 7 (f_Н=f_Г).

При этом напряжение u_∑(t) с выхода сумматора 27 через открытый ключ 31 поступает на вход амплитудного детектора 10, где выделяется модулирующий сигнал, который после усиления в видеоусилителе 11 поступает на вертикально-отклоняющие пластины ЭЛТ 13 и счетчик 12. В счетчике 12 фиксируются импульсы совпадения входной серии импульсов, попадающих в полосу пропускания Δf_П панорамного приемника при его периодической перестройке с периодом Т_П.

Период повторения Т_П можно изменить, изменяя режим развертки генератора 5, а следовательно, можно изменить и скорость изменения частоты гетеродина 7.

Тем самым при фиксированных величинах Т_П, τ₁, и Д_f можно демонстрировать достижение границ быстрого и медленного поисков. Визуально эти границы наблюдаются при следующих совпадениях показаний счетчиков на некоторых интервалах наблюдения Т_набл (Т_набл>>Т_П).

Граница быстрого поиска соответствует совпадению показаний счетчиков 4 и 12 (N₄=N₁₂, где N₄ - число, зафиксированное счетчиком 4; N₁₂ - число, зафиксированное счетчиком 12) на Т_набл.

Граница медленного поиска соответствует совпадению показаний счетчиков 6 и 12 (N₆=N₁₂, где N₅ - число, зафиксированное счетчиком 6) на Т_набл.

Между этими границами находится область вероятностного поиска (со средней скоростью).

Предусмотренная в приборе возможность имитации сигналов РЛС с различающимися временными параметрами Т₁, τ₁; Т₂, τ₂; Т₃, τ₃ - позволяет продемонстрировать изменение границ достоверных поисков при фиксированном диапазоне поиска Д_f и ширине полосы пропускания Δf_П приемника путем перехода к анализу процесса формирования импульсов совпадения для входных сигналов с различными временными параметрами.

Второй режим обеспечивается тем, что переключатели 18 и 22 замыкаются, переключатели 19, 20 и 21 последовательно замыкаются и последовательно визуально наблюдается воздействие ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному, первому и второму комбинационным каналам, на качество приема полезных сигналов. При этом на экране ЭЛТ 13 (на горизонтальной развертке) образуются частотные метки, соответствующие полезному сигналу и ложным сигналам (помехам), принимаемым по дополнительным каналам.

Третий режим обеспечивает демонстрацию методов и средств подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам. При этом переключатели 18, 20 и 21 размыкаются, а переключатели 19 и 22 замыкаются.

Высокочастотный сигнал

,

формируемый генератором 14 через замкнутый переключатель 19 и сумматор 17, поступает на вход преобразователя частоты. Усилителями 9 и 25 промежуточной частоты в этом случае выделяются следующие напряжения:

,

,

где ;

;

K₁, K₂ - коэффициент передачи смесителей (K₁≠K₂);

f_пр=f_Г-f_з - промежуточная частота;

ϕ_пр=ϕ_Г-ϕ_з.

Напряжение u_пр5(t) с выхода усилителя 25 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 26 на 90°, на выходе которого образуется напряжение

Напряжения u_пр4(t) и u_пр6(t), поступающие на два входа сумматора 27, на его выходе компенсируются.

Однако полная компенсация указанных напряжений возможна только при идентичности приемных трактов. Реальные смесители 8 и 24, усилители 9 и 25 промежуточной частоты и другие элементы, входящие в состав двух трактов, имеют отличающиеся характеристики, в частности (K₁≠K₂).

Для демонстрации устранения неидентичности приемных трактов вводится комплексная (амплитудно-фазовая) система идентификации, которая использует гармонический калибровочный сигнал отдельного высокочастотного генератора 32, частота f_к которого отличается от промежуточной частоты f_пр на некоторую величину Δf (фиг.2). При малой величине Δf калибровочный сигнал несет информацию о неидентичности приемных трактов на промежуточной частоте f_пр в силу корреляции близких значений частотных характеристик.

Если на входы приемных трактов подать одинаковые по амплитуде и фазе калибровочные сигналы, то на их выходах из-за разных коэффициентов передачи калибровочные сигналы будут отличаться. При этом разность амплитуд выходных калибровочных сигналов можно использовать для управления модулем коэффициента передачи каждого усилителя 9 (25) промежуточной частоты, а разность фаз - для управления фазовым сдвигом в приемных трактах.

При выборе неидентичных приемных трактов на экране ЭЛТ 13 будет наблюдаться частотная метка, которая свидетельствует о том, что полной компенсации напряжений u_пр4(t) и u_пр6(t) в сумматоре 27 не произошло.

При замыкании переключателя 33 калибровочный сигнал с выхода высокочастотного генератора 32 поступает на два приемных тракта, где выделяется узкополосными фильтрами 36 и 37 и после детектирования в амплитудных детекторах 38 и 39 калибровочные сигналы поступают на два входа блока 40 вычитания системы амплитудной идентификации.

При неравенстве модулей коэффициентов передачи приемных трактов (K₁≠K₂) на частоте f_к на выходе блока 40 вычитания образуется напряжение (положительное или отрицательное), которое через фильтр 41 нижних частот и инверсный усилитель 42 воздействует на управляющие входы усилителей 9 и 25 промежуточной частоты, изменяя их коэффициенты передачи таким образом, что напряжение на выходе блока 40 вычитания стремится к нулю.

С выходов узкополосных фильтров 36 и 37 калибровочные сигналы поступают на систему фазовой идентификации, состоящую из фазового детектора 43, управляющего элемента 44, инверсного усилителя 45 и двух регулируемых фазовращателей 34 и 35.

При наличии фазовой неидентичности приемных трактов на выходе фазового детектора 43 появляется напряжение (положительное или отрицательное), которое через управляющий элемент 44 и инверсный усилитель 45 воздействует на управляющие входы регулируемых фазовращателей 34 и 35, изменяя фазовые сдвиги калибровочных сигналов так, что выходное напряжение фазового детектора 43 стремиться к нулю. Так достигается фазовая идентификация приемных трактов.

Наличие сильной корреляции между модулями коэффициентов передачи и между их аргументами на частотах f_пр и f_к позволяет утверждать практическое равенство модулей коэффициентов передачи и равенства их аргументов на промежуточной частоте f_пр(K₁=K₂=K).

Напряжения u_пр4(t) и u_пр6(t), поступающие на два входа сумматора 27, на его выходе полностью компенсируются. Частотная метка на экране ЭЛТ 13 отсутствует.

Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по зеркальному каналу на частоте f_з, подавляется. Для этого используется «внешнее кольцо», состоящее из гетеродина 7, смесителей 8 и 24, усилителей 9 и 25 промежуточной частоты, фазовращателей 23 и 26 на 90°, сумматора 27, пятого высокочастотного гетеродина 32, шестого переключателя 33, регулируемых фазовращателей 34 и 35, узкополосных фильтров 36 и 37, амплитудных детекторов 38 и 39, блока 40 вычитания, фильтра 41 нижних частот, инверсных усилителей 42 и 45, фазового детектора 43 и управляющего элемента 44, и реализующие фазокомпенсационный метод.

Для демонстрации подавления первого комбинационного канала переключатель 19 размыкается, а переключатель 20 замыкается. При этом высокочастотный сигнал

с выхода генератора 15 через замкнутый переключатель 20 и сумматор 17 поступает на вход преобразователя частоты. В этом случае усилителями 9 и 25 промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:

,

,

где ;

f_пр=2f_Г-f_K1 - промежуточная частота;

ϕ_пр7=ϕ_Г-ϕ_K1.

Напряжение u_пр8(t) с выхода усилителя 25 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 26 на 90°, на выходе которого образуется следующее напряжение

Напряжения u_пр7(t) и u_пр9(t), поступающие на два входа сумматора 27, на его выходе компенсируются. Частотная метка на экране ЭЛТ 13 отсутствует. Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому комбинационному каналу на частоте f_K1, подавляется. Для этого также используется «внешнее кольцо», реализующее фазокомпенсационный метод.

Для демонстрации подавления второго комбинационного канала переключатель 20 размыкается, а переключатель 21 замыкается. При этом высокочастотный сигнал

с выхода генератора 16 через замкнутый переключатель 21 и сумматор 17 поступает на вход преобразователя частоты. В этом случае усилителями 9 и 25 промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:

,

,

где ;

f_пр=f_K2-2f_Г - промежуточная частота;

ϕ_пр10=ϕ_Г-ϕ_K2.

Напряжение u_пр11(t) с выхода усилителя 25 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 26 на 90°, на выходе которого образуется напряжение

Напряжения u_пр10(f) и u_пр12(t) поступают на два входа сумматора 27, на выходе которого образуется суммарное напряжение

,

где U_∑1=2U_пр10.

Это напряжение поступает на второй вход перемножителя 28, на первый вход которого через замкнутый переключатель 22 поступает принимаемый сигнал u_K2(t) с выхода сумматора 17. На выходе перемножителя 28 образуется напряжение

,

где ;

которое не попадает в полосу пропускания узкополосного фильтра 29. Ключ 31 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму комбинационному каналу на частоте f_K2, подавляется. Для этого используется «внутреннее кольцо», состоящее из перемножителя 28, узкополосного фильтра 29, амплитудного детектора 30 и ключа 31, и реализующее метод узкополосной фильтрации.

Если замыкаются переключатели 18-22, 33, то на вход панорамного приемника одновременно поступают полезный сигнал на частоте f_с, ложные сигналы (помехи), принимаемые по зеркальному каналу на частоте f_з, первому f_K1, и второму f_K2 комбинационным каналам. Ложные сигналы (помехи), принимаемые по дополнительным каналам, подавляются, а на горизонтальной развертке ЭЛТ 13 образуется частотная метка, соответствующая полезному сигналу, принимаемому по основному каналу на частоте f_с.

Таким образом, предлагаемый учебный прибор по сравнению с прототипом позволяет демонстрировать полное подавление ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному каналу на частоте f_з. Это достигается применением комплексной (амплитудно-фазовой) системы идентификации, которая использует гармонический калибровочный сигнал отдельного высокочастотного генератора 32, частота f_K которого отличается от промежуточной частоты f_пр на некоторую величину Δf. При малой величине Δf калибровочный сигнал несет информацию о неидентичности приемных трактов на промежуточной частоте f_пр в силу корреляции близких значений частотных характеристик.

Использование: в качестве учебного прибора и тренажера по радиотехнике. Технический результат заключается в демонстрации полного подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному каналу, путем использования комплексной (амплитудно-фазовой) системы идентификации приемных трактов. Прибор содержит модель РЛС (1), первый (2), второй (14), третий (15), четвертый (16) и пятый (32) высокочастотные генераторы, модулятор (3), первый (4), второй (6) и третий (12) счетчики, генератор (5) развертки, гетеродин (7), первый (8) и второй (24) смесители, первый (9) и второй (25) усилители промежуточной частоты, первый (10), второй (38) и третий (39) амплитудные детекторы, видеоусилитель (11), ЭЛТ (13), первый (17) и второй (27) сумматоры, первый (18), второй (19), третий (20), четвертый (21), пятый (22) и шестой (33) переключатели, первый (23) и второй (26) фазовращатели на 90°, перемножитель (28), первый (29), второй (36) и третий (37) узкополосные фильтры, ключ (31), первый (34) и второй (35) регулируемые фазовращатели, блок (40) вычитания, фильтр (41) нижних частот, первый (42) и второй (45) инверсные усилители, фазовый детектор (43) и управляющий элемент (44). 4 ил.

Учебный прибор по радиотехнике, содержащий последовательно включенные первый высокочастотный генератор, модулятор, первый переключатель, первый сумматор, второй вход которого через второй переключатель соединен с выходом второго высокочастотного генератора, третий вход - через третий переключатель соединен с выходом третьего высокочастотного генератора, четвертый вход - через четвертый переключатель соединен с выходом четвертого высокочастотного генератора, и первый смеситель, второй вход которого через гетеродин соединен с первым выходом генератора развертки, последовательно подключенные к второму выходу гетеродина первый фазовращатель на 90° и второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, последовательно включенные второй усилитель промежуточной частоты, второй фазовращатель на 90°, второй сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, перемножитель, второй вход которого через пятый переключатель соединен с выходом первого сумматора, первый узкополосный фильтр, второй амплитудный детектор, ключ, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, первый амплитудный детектор, видеоусилитель и вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки, горизонтально отклоняющие пластины которой соединены с вторым выходом генератора развертки, при этом к выходу модулятора подключен первый счетчик, к первому выходу генератора развертки подключен второй счетчик, к выходу видеоусилителя подключен третий счетчик, отличающийся тем, что он снабжен пятым высокочастотным генератором, шестым переключателем, двумя регулируемыми фазовращателями, вторым и третьим узкополосными фильтрами, третьим и четвертым амплитудными детекторами, блоком вычитания, фильтром нижних частот, двумя инверсными усилителями, фазовым детектором и управляющим элементом, причем к выходу первого смесителя последовательно подключены первый регулируемый фазовращатель, первый усилитель промежуточной частоты, второй узкополосный фильтр, третий амплитудный детектор, блок вычитания, фильтр нижних частот и первый инверсный усилитель, два выхода которого соединены с управляющими входами первого и второго усилителей промежуточной частоты соответственно, к выходу второго смесителя последовательно подключены второй регулируемый фазовращатель, второй усилитель промежуточной частоты, третий узкополосный фильтр и четвертый амплитудный детектор, выход которого соединен с вторым входом блока вычитания, к выходу второго узкополосного фильтра последовательно подключены фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом третьего узкополосного фильтра, управляющий элемент и второй инверсный усилитель, два выхода которого соединены с управляющими входами первого и второго регулируемых фазовращателей соответственно, выход пятого высокочастотного генератора через шестой переключатель соединен с первыми входами регулируемых фазовращателей.