Устройство для усиления и дискретизации сверхширокополосного сигнала Российский патент 2018 года по МПК H03F3/189 H03F1/42 

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к сверхширокополосным устройствам, и может найти применение в системах радиосвязи, радиолокации и радиоэлектронной борьбы.

В последнее время, при разработке радиолокационных систем ставятся все новые и новые задачи. Необходимость наращивания разрешающей способности, снижение мертвой зоны, соблюдение возрастающих требований электромагнитной совместимости и т.д. приводит к использованию нестандартных радиолокационных средств. Одним из таких нестандартных подходов, набирающих популярность в последнее время, стало использование при радиолокационном зондировании сверхширокополосных сигналов в виде сверхкоротких импульсов (СКИ). Однако, применение СКИ в радиолокаторах сопряжено с рядом технических трудностей, одной из которых является построение приемного устройства для таких сигналов. Во-первых, принятый импульс необходимо усилить, однако современные сверхширокополосные усилители, работающие в низкочастотном диапазоне, имеют высокую стоимость и не обладают достаточно высокими характеристиками для обеспечения работы радиолокатора на дальние расстояния. Во-вторых, для приема СКИ необходимо использование широкополосных аналого-цифровых преобразователей (АЦП), обладающих высокими характеристиками и соответственно высокой ценой. Таким образом, в настоящее время весьма актуальна разработка устройства усиления и дискретизации сверхширокополосного сигнала, имеющего низкую стоимость и высокие требования к характеристикам.

Из существующего уровня техники известен супергетеродинный приемник (патент РФ №2379837, МПК Н04В 1/26, от 20.01.2010), содержащий приемную антенну, усилитель радиочастоты, два полосовых фильтра, два измерителя отношения сигнал/шум, электронный коммутатор, блок сравнения, ключ, смеситель, гетеродин, усилитель промежуточной частоты модуляции и оконечное устройство. Техническое решение направлено на повышение помехоустойчивости.

Также известен супергетеродинный приемник с двойным преобразованием частоты (Радиоприемные устройства: Учебник для вузов: Под ред. Н.И. Чистякова. - М.: Радио и связь, 1986., с. 12, рис. 1.2,б), содержащий два гетеродина внутри тракта промежуточной частоты, а также тракт радиочастоты, в который включены входная цепь и указатель радиочастоты. Техническое решение направлено на уменьшение числа усилительных каскадов и упрощение конструкции трактов радиочастоты приемников усиления.

Недостатком указанных устройств является неэффективность работы усилителей в низкочастотной области со сверхширокополосными сигналами. Другими словами, при обработке и усилении сверхширокополосного сигнала на выходе получается искаженный сверхширокополосный сигнал с низкой информативностью.

Наиболее близким аналогом (прототипом) по технической сущности к заявленному техническому решению является устройство для усиления сверхширокополосного сигнала (патент РФ №2497270, МПК H03F 3/189, от 27.10.2013), содержащее первый и второй смесители, два гетеродина, полосовой фильтр, выполненный в виде фильтра разностной или суммарной частоты. А также высокочастотный усилитель, расположенный между полосовым фильтром и вторым смесителем, фильтр нижних частот (ФНЧ), подключенный к входу второго смесителя, и опорный генератор, выходы которого подключены к входам гетеродинов. Описываемое устройство обеспечивает возможность усиления сверхширокополосных сигналов при использовании стандартных методов узкополосной радиотехники.

Однако в данном устройстве происходит взаимное наложение спектральных характеристик сигнала. Недостатком прототипа является наличие искаженной формы сигнала после усиления в результате переноса центральной частоты спектра сигнала на нулевую частоту. Кроме этого, устройство усиления на выходе выдает только огибающую сигнала, которая обладает низкой информативностью.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в создании устройства для усиления и дискретизации сверхширокополосного сигнала, позволяющего сохранять на выходе полную не искаженную информацию принимаемого сверхширокополосного сигнала.

Технический результат - усиление и дискретизация сверхширокополосного сигнала без его спектральных искажений с сохранением формы сигнала и максимальным приближением по характеристикам к исходному сигналу.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для усиления и дискретизации сверхширокополосного сигнала, содержащее последовательно соединенные первый смеситель, полосовой фильтр, высокочастотный усилитель, второй смеситель, первый ФНЧ, а также включающее первый и второй гетеродины, на выходе соединенные соответственно с первым и вторым смесителями, и опорный генератор, выходы которого подключены к входам первого и второго гетеродинов, в отличие от прототипа, устройство снабжено третьим смесителем, первый вход которого соединен с выходом высокочастотного усилителя, а второй вход соединен со вторым гетеродином через фазовращатель, при этом выход третьего смесителя соединен со вторым ФНЧ. Выходы первого и второго ФНЧ подключены к последовательно соединенным квадратурному АЦП, квадратурному блоку интерполяции, блоку формирования аналитического сигнала, четвертому смесителю и блоку выделения вещественной частоты сигнала, при этом второй вход четвертого смесителя соединен с выходом второго блока формирования аналитического сигнала, первый вход которого соединен с первым выходом цифрового гетеродина, а второй вход соединен со вторым выходом цифрового гетеродина через фазовращатель. Для избавления от лишних помех блок выделения вещественной частоты сигнала соединен с пятым ФНЧ, являющимся выходом устройства.

Введение в устройство усиления и дискретизации сверхширокополосного сигнала квадратурных элементов позволяет сохранить фазовые характеристики сигнала в нулевой области частот, что обеспечивает сохранение исходной формы сигнала.

Добавление цифровой части схемы, начинающейся с квадратурного АЦП, с использованием переноса спектральных составляющих широкополосного сигнала на исходный спектральный диапазон позволяет сохранить форму сигнала и максимально приблизить по характеристикам к исходному широкополосному сигналу.

Сущность технического решения поясняется приведенными схемами:

Фиг. 1 - схема устройства для усиления и дискретизации сверхширокополосного сигнала.

Фиг. 2 - схема процесса преобразования частоты устройства усиления и дискретизации сверхширокополосного сигнала.

Заявляемое устройство для усиления и дискретизации сверхширокополосного сигнала (фиг. 1) содержит приемник, состоящий из первого смесителя 1, первый вход которого является входом устройства, а второй вход соединен с выходом первого гетеродина 2. Выход смесителя 1 соединен с входом полосового фильтра 3, последовательно соединенного с высокочастотным усилителем 5. Также приемник содержит второй гетеродин 6. Входы первого и второго гетеродинов 2, 6 подключены к выходам опорного генератора 4.

Приемник соединяется с блоком квадратурной дискретизации. Блок квадратурной дискретизации содержит последовательно соединенные квадратурный модуль переноса частоты и квадратурный АЦП. Квадратурный модуль переноса частоты содержит второй и третий смесители 8, 9. Первый вход второго смесителя 8 соединен с выходом высокочастотного усилителя 5, а второй вход соединен с первым выходом второго гетеродина 6. Первый вход третьего смесителя 9 также соединен с выходом высокочастотного усилителя 5, а второй вход через фазовращатель 7 соединен со вторым выходом второго гетеродина 6. Также в состав квадратурного модуля переноса частоты входят первый и второй фильтры нижних частот 10, 11, соединенные на входе соответственно с выходами второго и третьего смесителей 8, 9, а на выходе с квадратурным АЦП 12, 13.

Квадратурный АЦП 12, 13 соединен на выходе с квадратурным блоком интерполяции, состоящим из первого и второго блоков повышения частоты дискретизации 14, 15 и последовательно соединенных с ними третьим и четвертым ФНЧ 16, 17.

Выходы третьего и четвертого ФНЧ 16, 17 соединены с первым блоком формирования аналитического сигнала 18, выход которого соединен с первым входом четвертого смесителя 21. Второй вход четвертого смесителя 21 соединен с выходом второго блока формирования аналитического сигнала 22, входящего в состав блока цифрового гетеродинирования комплексного сигнала, также содержащего цифровой гетеродин 19, соединенный с фазовращателем 20, выходы которых соединены с входами второго блока формирования аналитического сигнала 22. Выход четвертого смесителя 21 последовательно соединен с блоком выделения вещественной частоты сигнала 23 и пятым ФНЧ 24, являющимся выходом устройства.

Устройство для усиления и дискретизации сверхширокополосного сигнала работает следующим образом. На первый вход первого смесителя 1 (фиг. 1) поступает сверхширокополосный сигнал, полученный с антенного устройства. На второй вход смесителя 1 подается сигнал с маломощного генератора высокой частоты - первого гетеродина 2. Опорный генератор 4 является задающим и служит для синхронизации первого и второго гетеродинов 2, 6. На выходе первого смесителя 1 образуются сигналы с частотами, равными сумме и разности частот первого гетеродина 2 и входного сверхширокополосного сигнала. При помощи полосового фильтра 3 выделяется сигнал разностной или суммарной частоты, который поступает на высокочастотный усилитель 5, работающий в полосе частот фильтра. При переносе спектра сигнала в область высоких частот сигнал становится узкополосным и удовлетворяет всем законам физики узкополосных сигналов, поскольку усиление сигнала производится на высокой частоте. Далее происходит усиление сигнала как узкополосного.

Усиленный сигнал поступает с высокочастотного усилителя 5 на второй и третий смесители 8, 9, на которые также поступает сигнал со второго гетеродина 6. Происходит перенос сигнала в область нулевых частот путем перемножения частоты исходного сигнала с частотой гетеродина. При этом сигнал со второго гетеродина 6, поступающий на третий смеситель 9, проходит через фазовращатель 7, который образует сдвиг сигнала гетеродина 6 на 90 градусов по фазе. После получения вещественной и мнимой частей комплексной огибающей сигнал проходит через фильтры нижних частот 10, 11, настроенные на полосу сверхширокополосного сигнала. Эти фильтры позволяют отсечь высокочастотную составляющую сигнала после выхода из смесителей 8, 9. Отфильтрованный сигнал поступает на вход квадратурного АЦП 12, 13. Данная техническая реализация представляет собой блок квадратурной дискретизации. Этот блок позволяет уменьшить частоту дискретизации аналого-цифровых преобразователей до частоты, не меньшей ширины спектра сигнала. В связи с тем, что частота второго гетеродина 6 больше частоты первого гетеродина 2, перенос спектра в область низких частот происходит с перекрытием, что искажает форму спектра, но позволяет сузить ширину спектра сигнала в два раза на выходе второго и третьего смесителей 8, 9. Таким образом, поступающий на вход квадратурного АЦП 12, 13 сигнал с узким спектром не требует при его обработке использования дорогостоящих АЦП. При этом разделение на квадратуры обеспечивает сверхскоростную обработку сверхширокополосного сигнала, а также позволяет сохранить фазовую составляющую внутри спектра, что увеличивает информативность сигнала.

После дискретизации в квадратурном АЦП 12, 13 цифровой сигнал поступает на входы блока интерполяции, который позволяет увеличить частоту дискретизации в целое число раз для дальнейшего переноса спектральных составляющих широкополосного сигнала в область более высоких частот, соответствующих спектральной полосе исходного обрабатываемого сигнала. Квадратурный блок повышения частоты дискретизации 14, 15 блока интерполяции добавляет N - 1 нулей между отсчетами сигнала, а квадратурный фильтр нижних частот 16, 17 с коэффициентом передачи равным N и частотой среза, равной половине частоты дискретизации АЦП 12, 13, отсекает ненужные периодические копии сигнала. В результате частота дискретизации сигнала увеличивается в N раз, вследствие чего происходит восстановление ширины спектра сигнала.

Далее сигнал поступает на входы первого блока формирования аналитического сигнала 18. Комплексная огибающая сигнала после прохождения квадратурных блоков имеет вещественную и мнимую части. В первом блоке формирования аналитического сигнала 18 складываются два сигнала, имеющих расхождение по фазе 90 градусов относительно друг друга, при этом дают удвоенный результат в области положительных частот.

Полученный аналитический сигнал поступает на четвертый смеситель 21, на второй вход которого также поступает аналитический сигнал со второго блока формирования аналитического сигнала 22. Данный сигнал формируется с помощью цифрового гетеродина 19 с частотой, равной разности частот первого и второго гетеродинов 2, 6, подключенного первым выходом напрямую ко второму блоку формирования аналитического сигнала 22 через опорное колебание - sin, а вторым выходом через фазовращатель 20 с опорным колебанием - cos. После перемножения двух аналитических сигналов, поступающих с первого и второго блока формирования аналитического сигнала 18, 22, на выходе смесителя 21 получаем аналитический сигнал, спектр которого переносится на исходный диапазон частот.

Цифровой перенос спектра сигнала на исходный диапазон частот позволяет избежать наложений спектров в нулевой области частот, которые образуются из-за второго переноса спектральных составляющих сигнала в нулевую область частот. Также блок цифрового гетеродинирования комплексного сигнала исполняет функции фильтра нижних частот, что позволяет не устанавливать его на выходе смесителя.

Далее аналитический сигнал поступает в блок выделения вещественной части сигнала 23. Отбросив мнимую часть и восстановив симметричность спектра относительно нуля, получаем исходный усиленный сверхширокополосный сигнал, который пропускается через фильтр нижних частот 24 для исключения ненужных шумов.

Процесс преобразования частоты устройства усиления и дискретизации сверхширокополосного сигнала демонстрирует фиг. 2. На фиг. 2а показано поступление сверхширокополосного сигнала на вход смесителя 1, перенос спектра на суммарно-разностную частоту относительно гетеродина 2, а также выделение полосовым фильтром 3 сигнала определенной частоты. Далее происходит усиление сигнала высокочастотным усилителем 5. На фиг. 2б показан перенос спектра сигнала в область нулевых частот при помощи второго переноса частоты исходного сигнала путем перемножения ее с частотой гетеродина 6. Далее происходит аналого-цифровое преобразование сигнала, повышение частоты дискретизации и выделение комплексного сигнала. Фиг. 2в демонстрирует цифровой перенос частоты сигнала в исходную область.

Таким образом, заявляемое устройство усиливает поступающий сверхширокополосной сигнал, обеспечивает разделение на квадратуры и сужение его спектра, после чего сигнал проходит дискретизацию и возвращение к первоначальной ширине спектра, в результате устраняется наложение спектральных составляющих сигнала и возвращается его исходная форма. Разделение сигнала на квадратуры, выделение фазовой составляющей сигнала в сочетании с дискретизацией увеличивает информативность сверхширокополосного сигнала и позволяет максимально приблизить по характеристикам к исходному сверхширокополосному сигналу. При этом перенос спектральных составляющих сверхширокополосного сигнала на исходный спектральный диапазон позволяет сохранить форму сигнала, устранить искажение исходного сверхширокополосного сигнала. Кроме этого, квадратурное преобразование просто и дешево реализуется аналоговыми средствами, а цифровая часть благодаря низкой частоте дискретизации также оказывается несложной.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к сверхширокополосным устройствам, и может найти применение в системах радиосвязи, радиолокации и радиоэлектронной борьбы. Техническим результатом является усиление и дискретизация сверхширокополосного сигнала без его спектральных искажений, с сохранением формы сигнала и максимальным приближением по характеристикам к исходному сигналу. Раскрыто устройство для усиления и дискретизации сверхширокополосного сигнала, содержащее последовательно соединенные первый смеситель, полосовой фильтр, высокочастотный усилитель, второй смеситель, первый фильтр нижних частот (ФНЧ), а также включающее первый и второй гетеродины, на выходе соединенные соответственно с первым и вторым смесителями, и опорный генератор, выходы которого подключены к входам первого и второго гетеродинов, при этом устройство снабжено третьим смесителем, первый вход которого соединен с выходом высокочастотного усилителя, а второй вход соединен со вторым гетеродином через фазовращатель, при этом выход третьего смесителя соединен со вторым ФНЧ, выходы первого и второго ФНЧ подключены к последовательно соединенным квадратурному АЦП, квадратурному блоку интерполяции, блоку формирования аналитического сигнала, четвертому смесителю и блоку выделения вещественной частоты сигнала, при этом второй вход четвертого смесителя соединен с выходом второго блока формирования аналитического сигнала, первый вход которого соединен с первым выходом цифрового гетеродина, а второй вход соединен со вторым выходом цифрового гетеродина через фазовращатель. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для усиления и дискретизации сверхширокополосного сигнала, содержащее последовательно соединенные первый смеситель, полосовой фильтр, высокочастотный усилитель, второй смеситель, первый фильтр нижних частот (ФНЧ), а также включающее первый и второй гетеродины, на выходе соединенные соответственно с первым и вторым смесителями, и опорный генератор, выходы которого подключены к входам первого и второго гетеродинов, отличающееся тем, что снабжено третьим смесителем, первый вход которого соединен с выходом высокочастотного усилителя, а второй вход соединен со вторым гетеродином через фазовращатель, при этом выход третьего смесителя соединен со вторым ФНЧ, выходы первого и второго ФНЧ подключены к последовательно соединенным квадратурному АЦП, квадратурному блоку интерполяции, блоку формирования аналитического сигнала, четвертому смесителю и блоку выделения вещественной частоты сигнала, при этом второй вход четвертого смесителя соединен с выходом второго блока формирования аналитического сигнала, первый вход которого соединен с первым выходом цифрового гетеродина, а второй вход соединен со вторым выходом цифрового гетеродина через фазовращатель.

2. Устройство для усиления и дискретизации сверхширокополосного сигнала по п. 1, отличающееся тем, что выход блока выделения вещественной частоты сигнала соединен с пятым ФНЧ, являющимся выходом устройства.