РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ С ФАЗОВОЙ МАНИПУЛЯЦИЕЙ Российский патент 2015 года по МПК H04L27/22 

Предлагаемое устройство относится к радиотехнике и может быть использовано в аппаратуре, предназначенной для приема и анализа фазоманипулированных (ФМн) сигналов с бинарным значением фазы.

Известны радиоприемные устройства для обнаружения сигналов на фоне шумов и помех (авт. свид. СССР №№211.599, 309.326, 540.230, 1.718.695, 1.758.883, 1.785.410, 1.799.226, 1.799.227, 1.840.539, 1.840.708; патенты РФ №№2.001.533, 2.007.046, 2.181.528, 2.196.395, 2.379.837, 2.479.120; патенты США №№3.702.475, 3.815.028, 3.510.313, 7.742.914; патент EP №1.947.642; Сабинов В.А. Цифровое устройство для обнаружения и грубого измерения частоты сигнала. - Труды МАИ, 1970, вып. 201 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Радиоприемное устройство для обнаружения широкополосных сигналов с фазовой манипуляцией» (патент РФ №2.479.120, H03K 7/00, 2011), которое и выбрано в качестве прототипа.

Известное устройство обеспечивает обнаружение широкополосных сигналов с фазовой манипуляцией на фоне шумов и узкополосных помех. Оно построено по супергетеродинной схеме, в которой существуют дополнительные (зеркальные и комбинационные) каналы приема. Подавление ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальным и комбинационным каналам, основано на использовании двух гетеродинов 15 и 16, частоты f_Г1 и f_Г2 которых разнесены на удвоенное значение промежуточной частоты

f_Г2-f_Г1=2f_пр

и выбраны симметричными относительно частоты f_c основного канала приема, (фиг.2):

f_С-f_Г1=f_Г2-f_С=f_пр.

Это обстоятельство приводит к удвоению числа дополнительных каналов приема, но создает благоприятные условия для их подавления за счет корреляционной обработки канальных напряжений.

Однако под воздействием различных дестабилизирующих факторов, в том числе и эффекта Доплера, когда источник излучения ФМн-сигналов и радиоприемное устройство взаимно перемещаются, указанная симметричность нарушается и снижается помехоустойчивость и достоверность обнаружения широкополосных сигналов с фазовой манипуляцией.

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и достоверности обнаружения широкополосных сигналов с фазовой манипуляцией путем обеспечения симметричности частот f_Г1 и f_Г2 первого и второго гетеродинов относительно частоты f_С основного канала приема

f_С-f_Г1=f_Г2-f_С=f_пр..

Поставленная задача решается тем, что радиоприемное устройство для обнаружения широкополосных сигналов с фазовой манипуляцией, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, последовательно включенные преселектор и преобразователь частоты, n каналов нелинейной обработки, каждый из которых состоит из последовательно включенных нелинейного элемента, узкополосного фильтра и ключа, а также двух полосовых фильтров, выходы которых подключены к входам нелинейного элемента, при этом выход узкополосного фильтра через детектор огибающей соединен с одной из входов решающего блока, соответствующий выход которого подключен к управляющему входу ключа, выходы ключей подключены к входам сумматора, выход которого соединен с входом блока регистрации, преобразователь частоты выполнен в виде последовательно включенных первого гетеродина, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом преселектора, первого усилителя промежуточной частоты, коррелятора, порогового блока и ключа, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, а выход подключен к входам полосовых фильтров, последовательно включенных второго гетеродина, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом преселектора и второго усилителя промежуточной частоты, выход которого соединен с вторым входом коррелятора, при этом частоты f_Г1 и f_Г2 первого и второго гетеродинов разнесены на удвоенное значение промежуточной частоты

f_Г2-f_Г1=2f_пр

и выбраны симметричными относительно несущей частоты f_С основного канала приема

f_С-f_Г1=f_Г2-f_С=f_пр.,

отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено перемножителем, двумя узкополосными фильтрами, удвоителем фазы, фазовым детектором и инверсным усилителем, причем к выходу первого гетеродина последовательно подключены перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, первый узкополосный фильтр, фазовый детектор и инверсный усилитель, два выхода которого соединены с выходами первого и второго гетеродинов соответственно, к выходу ключа преобразователя частоты последовательно подключены удвоитель фазы и второй узкополосный фильтр, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора.

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1. Частотная диаграмма, поясняющая принцип образования дополнительных каналов приема, изображена на фиг.2.

Радиоприемное устройство для обнаружения широкополосных сигналов с фазовой манипуляцией содержит последовательно включенные преселектор 1, преобразователь 2 частоты и n каналов нелинейной обработки, каждый из которых состоит из последовательно соединенных нелинейного элемента 6.i, узкополосного фильтра 7.i и ключа 9.i, а также двух полосовых фильтров 4.i и 5.i, выходы которых подключены к входам нелинейного элемента 6.i, причем выход узкополосного фильтра 7.i через детектор 8.i огибающей соединен с одним из входов решающего блока 10, соответствующий выход которого подключен к управляющему входу ключа 9.i, выходы ключей 9.i подключены к выходам сумматора 11, выход которого соединен с входом блока 12 регистрации (i=1, 2, …, n).

Преобразователь 2 частоты выполнен в виде последовательно включенных первого гетеродина 15, первого смесителя 13, второй вход которого соединен с выходом преселектора 1, первого усилителя 3 промежуточной частоты, коррелятора 18, порогового блока 19 и ключа 20, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя 3 промежуточной частоты, а выход подключен к полосовым фильтрам 4.i и 5.i, последовательно включенных второго гетеродина 16, второго смесителя 14, второй вход которого соединен со выходом преселектора 1, и второго усилителя 17 промежуточной частоты, выход которого соединен с вторым входом коррелятора 18, последовательно подключенных к выходу первого гетеродина 15 перемножителя 21, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 16, первого узкополосного фильтра 22, фазового детектора 25 и инверсного усилителя 26, два выхода которого соединен с входами первого 15 и второго 16 гетеродинов соответственно, последовательно подключенных к выходу ключа 20 преобразователя 2 частоты удвоителя 23 фазы и второго узкополосного фильтра 24, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора 25.

Устройство работает следующим образом. Если широкополосный ФМн-сигнал принимается по основному каналу на частоте f_C

u_C(t)=U_Ccos[2πf_Ct+φ_k(t)+φ_С], 0≤t≤T_C,

где φ_k(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции,

то он с выхода преселектора 1 поступает на первый вход первого 13 и второго 14 смесителей, на второй вход которых подается напряжение первого 15 и второго 16 гетеродинов соответственно

u_Г1(t)=U_Г1cos(2πf_Г1t+φ_Г1),

u_Г2(t)=U_Г1cos(2πf_Г2t+φ_Г2).

При этом частоты f_Г1 и f_Г2 разнесены на удвоенное значение промежуточной частоты (фиг.2)

f_Г2-f_Г1=2f_пр

и выбраны симметричными относительно частоты f_С основного канала приема

f_С-f_Г1=f_Г2-f_С=f_пр..

Это обстоятельство приводит к удвоению числа дополнительных каналов приема, но создает благоприятные условия для их подавления за счет корреляционной обработки канальных напряжений.

На выходе смесителей 13 и 14 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 3 и 7 промежуточной частоты выделяются напряжения промежуточной частоты:

u_пр1(t)=U_пр1cos[2πf_прt+φ_k(t)+φ_пр1],

u_пр2(t)=U_пр2cos[2πf_прt-φ_k(t)+φ_пр2], 0≤t≤T_С

где $$U_{пр1}=\frac{1}{2}{U}_{С}{U}_{Г1}$$ ;

$$U_{пр2}=\frac{1}{2}{U}_{С}{U}_{Г2}$$ ;

f_пр=f_С-f_Г1=f_Г2-f_С - промежуточная частота;

φ_пр1=φ_С-φ_Г1; φ_пр2=φ_Г2-φ_С,

которые поступают на два входа коррелятора 18, на выходе которого образуется напряжение, пропорциональное корреляционной функции R(τ).

Следует отметить, что корреляционная функция R(τ) ФМн-сигналов обладает замечательным свойством: она имеет значительный главный лепесток и сравнительно низкий уровень боковых лепестков. Это свойство используется для подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальным и комбинационным каналам. Напряжение, пропорциональное корреляционной функции R(τ), сравнивается с пороговым уровнем U_пор1 в пороговом блоке 19. Пороговое напряжение U_пор1 превышается только при максимальном значении корреляционной функции R(τ). Так как корреляционные напряжения u_пр1(t) и u_пр2(t) образуются одним и тем же ФМн-сигналом u_С(t), принимаемым по двум каналам на одной и той же частоте f_С, то между указанными канальными напряжениями существует сильная корреляционная связь. Корреляционная функция R(τ) имеет ярко выраженный главный лепесток, который превышает пороговый уровень U_пор1 в пороговом блоке 19. При превышении порогового уровня U_пор1 в пороговом блоке 19 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 20, открывая его.

В исходном состоянии ключ 20 всегда закрыт. При этом канальное напряжение промежуточной частоты u_пр1(t) с выхода первого усилителя 3 промежуточной частоты через открытый ключ 20 поступает на n каналов нелинейной обработки. В каждом i-м канале параллельно включены два полосовых фильтра 4.i и 5.i, имеющие полосу пропускания ΔF. Их центральные частоты расположены симметрично относительно центральной частоты $$\frac{f_J}{\Delta f\ge \Delta F}$$ полосы обработки и равны

$$\left[f_{о}+\left(i-\frac{1}{2}\right)\Delta f\right]$$ и $$\left[f_{о}+\left(i-\frac{1}{2}\right)\Delta f\right]$$ ,

где выходные сигналы полосовых фильтров перемножителя в нелинейном элементе 6.i и фильтруются в узкополосном фильтре 7i, частота настройки которого равна 2f_o.

Выходные сигналы узкополосных фильтров 7i суммируются в сумматоре 11, в результате чего образуется вторая гармоника сигнала, частота несущей которого равна f_o. Вторая гармоника сигнала фиксируется блоком 12 регистрации.

Канал, в который попадает мощная узкополосная помеха (результат перемножения двух узкополосных помех), отключается решающим блоком 10 от сумматора 11. В решающем блоке 10 наличие помехи определяется по значительному превышению уровня сигнала в канале среднего по каналам уровня.

С выходов узкополосных фильтров 7.i сигналы через ключи 9.i (i=1, 2, …, n) подаются на входы сумматора 11, с выхода которого сумма сигналов поступает в блок 12 регистрации, где ее уровень сравнивается с порогом U_пор1. При превышении порога U_пор2 фиксируется обнаружение сигнала.

С выходов узкополосных фильтров 7.i сигналы подаются также на детекторы 8.i огибающей, в которых выделяются огибающие сигналов, подаваемых на входы решающего блока 10. В решающем блоке 10 сравниваются уровни сигналов всех n каналов и для каналов, в которых уровни сигналов значительно превышают средний по каналам уровень, вырабатывается управляющий сигнал, подаваемый на ключи 9.i (i=1, 2, …, n) этих каналов, вследствие чего ключи размыкаются и соответствующие каналы отключаются от сумматора 11.

Количественный выигрыш в помехоустойчивости существенно зависит от уровня и количества помеховых составляющих.

Для обеспечения симметричности

f_С-f_Г1=f_Г2-f_С=f_пр.

используется система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), состоящая из перемножителя 21, первого узкополосного фильтра 22, удвоителя 23 фазы, второго узкополосного фильтра 24, фазового детектора 25 и инверсного усилителя 26.

Напряжения u_Г1(t) и u_Г2(t) с выходов первого 15 и второго 16 гетеродинов поступают на два входа первого перемножителя 21, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

u₁(t)=U₁cos[2π(f_Г2-f_Г1+φ_Г]=U₁cos(4πf_прt+2φ_пр), 0≤t≤T_С,

где $$U_1=\frac{1}{2}{U}_{Г1}{U}_{Г2}$$ ;

f_Г2-f_Г1=2f_пр;

φ_U=φ_Г2-φ_Г1=2φ_пp,

которое выделяется первым узкополосным фильтром 22 и поступает на первый вход фазового детектора 25. Напряжение u_пр1(t) с выхода первого усилителя 3 промежуточной частоты через открытый ключ 20 подается на вход удвоителя 23 фазы, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

u₂(t)=U₂cos[4πf_прt+2φ_k(t)+2φ_пр1]=U₂cos(4πf_прt+φ_пр1), 0≤t≤T_С,

где $$U_2=\frac{1}{2}2U_{пр1}$$ ;

2φ_л(t)={0,2π},

которое выделяется вторым узкополосным фильтром 24 и поступает на второй вход фазового детектора 25.

Если нарушается указанная симметрия, то на выходе фазового детектора 25 формируется управляющее напряжение. Причем амплитуда и полярность управляющего напряжения зависят от степени и направления отклонения несущей частоты f_С от частот f_Г1 и f_Г2 первого 15 и второго 16 гетеродинов. Указанное напряжение через инверсный усилитель 26 воздействует на управляющие входы первого 15 и второго 16 гетеродинов так, чтобы выполнялось условие симметрии

f_С-f_Г1=f_Г2-f_С=f_пр.

Описанная выше работа устройства соответствует случаю приема полезных ФМн-сигналов по основному каналу на частоте f_С (фиг.2).

Если сложный сигнал (помеха) принимается по первому зеркальному каналу на частоте f_З1, то в первом 13 и втором 14 смесителях он преобразуется в напряжения следующих частот:

f₁₁=f_Г1-f_З1=f_пр; f₁₂=f_Г2-f_З1-f_пр.

Однако только напряжение с частотой f₁₁ попадает в полосу пропускания первого усилителя 3 промежуточной частоты. Выходной сигнал коррелятора 18 равен нулю, ключ 20 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому зеркальному каналу на частоте f_З1, подавляется.

Если ложный сигнал (помеха) принимается по второму зеркальному каналу на частоте f_З2, то в первом 13 и втором 14 смесителях он преобразуется в напряжения следующих частот:

f₂₁=f_З2-f_Г1=3f_пр, f₂₂=f_З2-f_Г2=f_пр.

Однако только напряжение с частотой f₂₂ попадают в полосу пропускания второго усилителя 17 промежуточной частоты, выходной сигнал коррелятора 18 также равен нулю, ключ 20 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму зеркальному каналу на частоте f_З2, подавляется.

По аналогичной причине подавляется и ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому комбинационному каналу на частоте f_к1, по второму комбинационному каналу на частоте f_к2 или по любому другому дополнительному каналу.

Если ложные сигналы (помехи) одновременно принимаются по первому f_З1 и второму f_З2 зеркальным каналам, то в первом 13 и втором 14 смесителях они преобразуются в напряжения следующих частот:

f₁₁=f_Г1-f_З1=f_пр; f₁₂=f_Г2-f_З1-f_пр.

f₂₁=f_З2-f_Г1=3f_пр, f₂₂=f_З2-f_Г2=f_пр.

При этом напряжение с частотами f₁₁ и f₂₂ попадают в полосу пропускания первого 3 и второго 17 усилителей промежуточной частоты, а затем подаются на два входа коррелятора 18. Но ключ 20 в этом случае не открывается. Это объясняется тем, что разные ложные сигналы (помехи) принимаются на разных частотах f_З1 и f_З2, поэтому между канальными напряжениями с частотами f₁₁ и f₂₂ существует слабая корреляционная связь.

Кроме того, следует отметить, что корреляционная функция помех не имеет ярко выраженного главного лепестка, как это имеет место у сложных ФМн-сигналов. Выходное напряжение коррелятора 18 в этом случае не превышает первого уровня U_пор1 в пороговом блоке 19, ключ 20 не открывается и ложные сигналы (помехи), принимаемые одновременно по первому f_З1 и второму f_З2 зеркальным каналам, подавляются.

По аналогичной причине подавляются и ложные сигналы (помехи), принимаемые одновременно по первому комбинационному каналу на частоте f₁₁ и второму комбинационному каналу на частоте f₂₂, или по другим любым дополнительным каналам.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает повышение помехоустойчивости и достоверности обнаружения широкополосных сигналов с фазовой манипуляцией. Это достигается путем обеспечения симметричности частот f_Г1 и f_Г2 первого и второго гетеродинов относительно частоты f_C основного канала приема f_С-f_Г1=f_Г2-f_С=f_пp. за счет использования системы фазовой автоподстройки частоты.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в аппаратуре, предназначенной для приема и анализа фазоманипулированных (ФМн) сигналов с бинарным значением фазы. Достигаемый технический результат - повышение помехоустойчивости и достоверности обнаружения широкополосных сигналов с фазовой манипуляцией. Радиоприемное устройство для обнаружения широкополосных сигналов с фазовой манипуляцией содержит преселектор 1, преобразователь 2 частоты, первый 3 и второй 17 усилители промежуточной частоты, полосовые фильтры 4.i и 5.i, нелинейный элемент 6.i, узкополосный фильтр 7.i, детектор 8.i огибающей, ключи 9.i (i=1, 2, … n), решающий блок 10, сумматор 11, блок 12 регистрации, первый 13 и второй 14 смесители, первый 15 и второй 16 гетеродины, коррелятор 18, пороговый блок 19, ключ 20, перемножитель 21, первый 22 и второй 24 узкополосные фильтры, удвоитель 23 фазы, фазовый детектор 25 и инверсный усилитель 26. 2 ил.

Радиоприемное устройство для обнаружения широкополосных сигналов с фазовой манипуляцией, содержащее последовательно включенные преселектор и преобразователь частоты, n каналов нелинейной обработки, каждый и которых состоит из последовательно включенных нелинейного элемента, узкополосного фильтра и ключа, а также двух полосовых фильтров, выходы которых подключены к входам нелинейного элемента, при этом выход узкополосного фильтра через детектор огибающей соединен с одним из входов решающего блока, соответствующий выход которого подключен к управляющему входу ключа, выходы ключей подключены к входам сумматора, выход которого соединен с входом блока регистрации, преобразователь частоты выполнен в виде последовательно включенных первого гетеродина, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом преселектора, первого усилителя промежуточной частоты, коррелятора, порогового блока и ключа, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, а выход подключен к входам полосовых фильтров, последовательно включенных второго гетеродина, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом преселектора, и второго усилителя промежуточной частоты, выход которого соединен с вторым входом коррелятора, при этом частоты f_Г1 и f_Г2 первого и второго гетеродинов разнесены на удвоенное значение промежуточной частоты
f_Г2-f_Г1=2f_пр
и выбраны симметричными относительно несущей частоты f_С основного канала приема
f_С-f_Г1=f_Г2-f_С=f_пр.,
отличается тем, что оно снабжено перемножителем, двумя узкополосными фильтрами, удвоителем фазы, фазовым детектором и инверсным усилителем, причем к выходу первого гетеродина последовательно подключены перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, первый узкополосный фильтр, фазовый детектор и инверсный усилитель, два выхода которого соединены с входами первого и второго гетеродинов соответственно, к выходу ключа преобразователя частоты последовательно подключены удвоитель фазы и второй узкополосный фильтр, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора.