Радиоприемное устройство с плавным управлением амплитудой размывающего сигнала Российский патент 2025 года по МПК H04B1/64 

Устройство относится к области радиотехники и может быть использовано для создания перспективных радиосредств с программируемой архитектурой с цифровой обработкой сигналов непосредственно на радиочастоте в условиях воздействия блокирующих сигналов для обеспечения устойчивой радиосвязи в сложной помеховой обстановке.

Такие радиоприемники описаны, например, в книгах «Cognitive radio technology», Second Edition, - Elsevier Science & Technology Books, 2009. - p.p. 828, автора Bruce Alan Fette и «Software defined radio: enabling technologies», John Wiley & Sons, Chichester, UK, 2002. - p.p. 442 автора W. Tuttlebee, Ed, в которых их называют идеальными.

Сущность таких устройств заключается в осуществлении аналого-цифрового преобразования (АЦП) на радиочастоте; применении размывающих сигналов, позволяющих улучшить линейность АЦП; обеспечении максимального размаха принимаемого сигнала на входе АЦП, не приводящего к ограничению в аналого-цифровом тракте (АЦТ), что позволяет увеличить динамический диапазон по блокированию полезного сигнала.

Известны аналоги [1÷3], в которых отсутствие управления размывающим сигналом проявляется в блокировании меньшим уровнем сигнала чем динамический диапазон АЦП за счет размывающего сигнала, что приводит к уменьшению динамического диапазона по блокированию.

Известно радиоприемное устройство с ключевым управлением амплитудой размывающего сигнала [4], недостатком которого является снижение динамического диапазона по блокированию полезного сигнала вследствие необходимости занижения порога компаратора на величину погрешности, вызванной тепловым дрейфом параметров АЦП и собственно компаратора.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является устройство, описанное в патенте на изобретение [5], принятое за прототип.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства-прототипа, где обозначено:

1 - блок входных цепей и преселектора (БВЦП);

2 - сумматор;

3 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

4 - цифровой приемный тракт (ЦПТ);

5 - демодулятор;

6 - формирователь размывающего сигнала (ФРС);

7 - источник частоты дискретизации (ИЧД);

8.1 - 8.N - с первого по n-й опорный генератор (ОГ);

9 - коммутатор;

10 - вычислитель амплитуды принимаемого сигнала (В);

15 - цифровой компаратор;

16 - ключ.

Устройство-прототип содержит последовательно соединенные блок входных цепей и преселектора 1, сумматор 2, АЦП 3, цифровой приемный тракт 4 и демодулятор 5, выход которого является информационным выходом устройства. Последовательно соединенные формирователь размывающего сигнала 6 и ключ 16, выход которого соединен со вторым входом сумматора 2. Источник частоты дискретизации 7 содержит N опорных генераторов 8.1÷8.N, выходы которых соединены с соответствующими N входами коммутатора 9, выход которого является выходом источника частоты дискретизации 7 и соединен с тактовым входом АЦП 3, выход которого через последовательно соединенные вычислитель амплитуды принимаемого сигнала 10 и цифровой компаратор 15 соединен со вторым входом ключа 16. Вход БВЦП 1 подсоединен к антенне.

Устройство-прототип работает следующим образом.

Входной радиочастотный сигнал поступает на вход радиоприемного устройства и проходит через блок входных цепей и преселектора 1, в котором происходят его усиление и фильтрация помех, находящихся вне полосы пропускания преселектора. С выхода блока 1 принимаемый сигнал поступает на первый вход сумматора 2, где происходит его сложение с подаваемым через ключ 16 аддитивным размывающим сигналом, формируемым в блоке ФРС 6.

С выхода сумматора 2 сигнал поступает на сигнальный вход АЦП 3, на тактовый вход которого поступает сигнал с частотой дискретизации. Для его формирования коммутатор 9 подключает тактовый вход АЦП 3 к одному из N опорных генераторов 8.1÷8.N в соответствии с текущим режимом работы АЦП 3. Квантованные отсчеты сигнала после АЦП 3 поступают в цифровой приемный тракт 4, а также на вход вычислителя амплитуды принимаемого сигнала 10, с выхода которого измеренное значение амплитуды принимаемого сигнала подается на вход цифрового компаратора 15, где происходит сравнение значения амплитуды принимаемого сигнала с пороговым значением этого компаратора. Если амплитуда принимаемого сигнала превышает пороговое значение , то ключ 16 прекращает поступление размывающего сигнала с выхода блока 6 на второй вход сумматора 2, если же измеренная амплитуда меньше порогового значения , то ключ 16 пропускает размывающий сигнал с выхода блока 6 на второй вход сумматора 2. В цифровом приемном тракте 4 осуществляется фильтрация, перенос сигнала на нулевую частоту и децимация для понижения частоты дискретизации. Далее в демодуляторе 5 происходит принятие решения о приеме сигнала. Принятая информация поступает на выход радиоприемного устройства.

Одним из важнейших параметров, характеризующих возможность радиоприемного устройства осуществлять прием сигнала, является динамический диапазон по интермодуляции [6], определяющийся как отношение уровня восприимчивости к интермодуляции к чувствительности радиоприемного устройства.

Недостатком устройства-прототипа является резкое уменьшение динамического диапазона по интермодуляции при пороговом отключении размывающего сигнала.

Задачей предлагаемого технического решения является увеличение динамического диапазона по интермодуляции в условиях наличия блокирующей помехи на входе приемника при сохранении динамического диапазона по блокированию.

Для решения поставленной задачи в радиоприемное устройство с плавным управлением размывающего сигнала, содержащее последовательно соединенные блок входных цепей и преселектора, сумматор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровой приемный тракт и демодулятор, выход которого является информационным выходом устройства; источник частоты дискретизации, состоящий из N опорных генераторов, выходы которых соединены с соответствующими N входами коммутатора, выход которого является выходом источника частоты дискретизации и соединен с тактовым входом АЦП, выход которого соединен с входом вычислителя амплитуды принимаемого сигнала, а также формирователь размывающего сигнала, причем вход блока входных цепей и преселектора подключен к антенне, согласно изобретению, введены последовательно соединенные устройство регулирования амплитуды размывающего сигнала и блок масштабирования, состоящий из последовательно соединенных формирователя цифрового размывающего сигнала и цифрового умножителя, второй вход которого является входом блока масштабирования; выход цифрового умножителя является выходом блока масштабирования и соединен с входом цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), выход которого соединен со вторым входом сумматора, при этом выход вычислителя амплитуды принимаемого сигнала соединен с входом устройства регулирования амплитуды размывающего сигнала.

Функциональная схема предлагаемого радиоприемного устройства представлена на фиг. 2, где обозначено:

1 - блок входных цепей и преселектора (БВЦП);

2 - сумматор;

3 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

4 - цифровой приемный тракт (ЦПТ);

5 - демодулятор;

6 - формирователь цифрового размывающего сигнала (ФЦРС);

7 - источник частоты дискретизации (ИЧД);

8.1÷8.N - с первого по N-й опорный генератор (ОГ);

9 - коммутатор;

10 - вычислитель амплитуды принимаемого сигнала (В);

11 - устройство регулирования амплитуды размывающего сигнала (УРАРС);

12 - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП);

13 - блок масштабирования (БМ);

14 - цифровой умножитель (ЦУ).

Заявляемое радиоприемное устройство содержит последовательно соединенные блок входных цепей и преселектора 1, сумматор 2, АЦП 3, цифровой приемный тракт 4 и демодулятор 5, выход которого является информационным выходом радиоприемного устройства. Источник частоты дискретизации 7, состоящий из N опорных генераторов 8.1÷8.N, выходы которых соединены с соответствующими входами коммутатора 9, выход которого является выходом источника частоты дискретизации 7 и соединен с тактовым входом АЦП 3, выход которого через последовательно соединенные вычислитель амплитуды принимаемого сигнала 10 и устройство регулирования амплитуды размывающего сигнала 11 соединен с входом блока масштабирования 13. При этом блок масштабирования 13 состоит из последовательно соединенных формирователя цифрового размывающего сигнала 6 и цифрового умножителя 14, второй вход которого является входом блока масштабирования 13. Выход цифрового умножителя 14 является выходом блока масштабирования 13 и соединен с входом ЦАП 12, выход которого соединен со вторым входом сумматора 2. Вход БВЦП 1 подсоединен к антенне.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Входной радиочастотный сигнал поступает на вход радиоприемного устройства и проходит через блок входных цепей и преселектора 1, в котором происходят его усиление и фильтрация помех, находящихся вне полосы пропускания преселектора. С выхода блока 1 принимаемый сигнал поступает на первый вход сумматора 2, где происходит его сложение с аддитивным размывающим сигналом, преобразованным цифро-аналоговым преобразователем 12.

С выхода сумматора 2 сигнал поступает на вход АЦП 3, на тактовый вход которого поступает сигнал с частотой дискретизации. Для его формирования коммутатор 9 подключает тактовый вход АЦП 3 к одному из N опорных генераторов 8.1-8.N в соответствии с текущим режимом работы АЦП 3. Квантованные отсчеты сигнала после АЦП 3 поступают в цифровой приемный тракт 4, а также на вход вычислителя амплитуды принимаемого сигнала 10, с выхода которого измеренное значение амплитуды принимаемого сигнала сравнивается с порогом УРАРС 11, алгоритм работы которого проясняется фигурой 3.

Пороговое значение срабатывания УРАРС 11 определяется по формуле:

, (1)

где - мгновенное значение цифрового сигнала, соответствующее максимальному входному мгновенному напряжению, не вызывающему ограничения аналого-цифрового преобразователя 3;

- значение цифрового сигнала, соответствующего максимальному значению амплитуды размывающего сигнала на выходе цифро-аналогового преобразователя 12.

Амплитуда размывающего сигнала определяется по формуле:

,(2)

где - измеренная амплитуда принимаемого цифрового сигнала.

Если амплитуда принимаемого сигнала меньше порога , то устройство регулирования амплитуды размывающего сигнала 11 устанавливает максимальное значение амплитуды размывающего сигнала . Если амплитуда принимаемого сигнала больше или равна пороговому значению , то УРАРС 11 рассчитывает амплитуду размывающего сигнала как разность мгновенного значения цифрового сигнала, соответствующего максимальному входному мгновенному напряжению, не вызывающего ограничения АЦП и амплитуды принимаемого сигнала , (алгоритм работы УРАРС 11 представлен на фиг. 3). При этом скорость регулирования амплитуды размывающего сигнала должна быть выше символьной скорости приема данных. Далее рассчитанное значение передается в блок масштабирования 13, где перемножается цифровым умножителем 14 с размывающим цифровым сигналом, полученным с выхода формирователя цифрового размывающего сигнала 6, имеющего постоянную амплитуду , для масштабирования амплитуды размывающего сигнала . Полученное значение передается с выхода блока масштабирования 13 на вход ЦАП 12. В цифровом приемном тракте 4 осуществляется фильтрация, перенос сигнала на нулевую частоту и децимация для понижения частоты дискретизации, далее в демодуляторе 5 происходит принятие решения о приеме сигнала. Принятая информация поступает на выход радиоприемного устройства.

К несомненным преимуществам такой реализации устройства относится отсутствие резкого порога отключения размывающего сигнала. Это позволяет достичь увеличения динамического диапазона по интермодуляции, при сохранении динамического диапазона по блокированию при высоком уровне блокирующей помехи. При равенстве или превышении смеси сигналов на выходе АЦП 3 порога срабатывания УРАРС 11, размывающий сигнал не отключается, а линейно масштабируется пропорционально смеси сигналов на входе приемника и отключается полностью только в случае достижения смеси сигналов уровня ограничения АЦП 3 FS. Это позволяет задействовать свойства размывающего сигнала для увеличения динамического диапазона по интермодуляции максимально эффективно без ухудшения динамического диапазона по блокированию.

Реализация блоков 1÷5, 7÷10 приемного устройства аналогична блокам устройства-прототипа и может быть выполнена в соответствии с монографией Пауль Хоровиц и Уинфилд Хилл «Искусство схемотехники» в 2-х томах. Москва Мир 1986г.

Реализация блока 11 является обычной инженерной задачей и может быть реализована программно, в соответствии с алгоритмом, представленным на фиг. 3.

Реализация блока 12 известна и описана в монографии Пауль Хоровиц и Уинфилд Хилл «Искусство схемотехники» в 2-х томах. Том 2. Москва Мир 1986 г. стр. 53.

Реализация блока 13, состоящего из блока 6 и блока 14, является обычной инженерной задачей и может быть выполнена, например, с использованием цифровых сигнальных процессоров или программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).

Приведем доказательство эффективности работы заявляемого устройства.

Динамический диапазон по интермодуляции определяется как отношение уровня восприимчивости к интермодуляции к чувствительности радиоприемного устройства [6].

Для улучшения динамического диапазона по интермодуляции задача была определена как увеличение динамического диапазона по интермодуляции при сохранении динамического диапазона по блокированию.

Для обеспечения лучшего динамического диапазона по интермодуляции в устройстве-прототипе, к полезному сигналу подмешивается размывающий сигнал с фиксированной амплитудой, не приводящий к переполнению в АЦП 3. Для сохранения динамического диапазона по блокированию реализуется ключевое управление амплитудой размывающего сигнала путем сравнения амплитуды сигнала после АЦП 3 с жестко заданным порогом в компараторе 16. При такой реализации полное отключение размывающего сигнала при достижении смеси сигнала порога срабатывания компаратора 16 приводит к резкому ухудшению динамического диапазона по интермодуляции, при этом смесь сигнала после АЦП 3 уменьшается на величину равную амплитуде размывающего сигнала. Это приводит к тому, что остается не задействован участок размаха АЦП 3, равный разности порога срабатывания компаратора 16 и текущего значения смеси сигнала.

Амплитуда размывающего сигнала в устройстве-прототипе - это фиксированная величина, следовательно, при ключевом управлении прибавляется фиксированное значение к амплитуде полезного сигнала перед АЦП 3.

В соответствии с поставленной задачей в заявляемом радиоприемном устройстве происходит плавное управление амплитудой размывающего сигнала, обратно пропорционально разности максимального входного напряжения в цифровом виде и пикового значения принимаемого сигнала после АЦП .

При введении в предлагаемое радиоприемное устройство блоков 6, 11÷14 амплитуда размывающего сигнала в цифровом виде может плавно изменяться от максимального значения до полного отключения, что позволяет увеличить динамический диапазон по интермодуляции при сохранении динамического диапазона по блокированию.

Рассмотрим пример предлагаемого радиоприемного устройства, выполненного на основе аналого-цифрового преобразователя (АЦП 3) AD9626 фирмы Analog Devices [7] с уровнем переполнения В (здесь и далее под уровнем сигнала подразумевается его значение пик-пик), которое соответствует цифровому значению . Формирователь цифрового размывающего сигнала 6 генерирует максимальное значение с уровнем В, соответствующее цифровому уровню , порог срабатывания в УРАРС 11 равен . При приеме сигнала уровнем В сигнал проходит входные цепи и смешивается с размывающим сигналом с уровнем В, на АЦП 3 поступает сигнал уровнем В, после АЦП 3 измеряется уровень принимаемого сигнала в цифровом виде, и далее измеренное значение попадает в устройство регулирования амплитуды размывающего сигнала, где происходит сравнение измеренного значения с порогом , это не отвечает условию , и устройство регулирования принимает решение изменить цифровое значение уровня размывающего сигнала:

Цифровое значение амплитуды размывающего сигнала передается в блок масштабирования, где перемножается с размывающим сигналом. И далее перемноженное значение поступает в ЦАП 12. Тогда к полезному сигналу в сумматоре 2 прибавится размывающий сигнал с амплитудой В, и в АЦП 3 поступит сигнал с амплитудой В, при этом достигается плавное изменение динамического диапазона по интермодуляции, не вызывающее переполнение в аналого-цифровом тракте.

Это позволяет осуществлять плавное регулирование амплитуды размывающего сигнала, вместо его полного отключения.

Следовательно, заявляемое радиоприемное устройство увеличивает динамический диапазон по интермодуляции для обеспечения устойчивой радиосвязи в сложной помеховой обстановке.

Достигаемый технический результат - увеличение динамического диапазона по интермодуляции в условиях наличия блокирующей помехи на входе приемника при сохранении динамического диапазона по блокированию.

Источники информации.

1. Патент США №6268814, опубл. 31.07.2001.

2. Маковий В.А., Ермаков С.А. Расширение частотного диапазона аналого-цифровых трактов методом цифровой коррекции // Теория и техника радиосвязи. - 2013. - №3. - С. 59-66.

3. Маковий В.А. Цифровая коррекция комбинаций в SDR радиостанциях // Теория и техника радиосвязи. - 2012. - №3. - С. 25-34.

4. Патент РФ №2548658. Радиоприемное устройство с ключевым управлением амплитудой размывающего сигнала. - Маковий B.А., Шкуров С.А., Ермаков С.А. МПК Н04В 1/64 - 8 с., Регистрация 03.10.2013. - Опубл. 20.04.15 г., Бюл. №11.

5. Патент РФ № 2660660. Радиоприемное устройство с ключевым управлением амплитудой размывающего сигнала. - Маковий В.А., Ермаков С.А. МПК H04B 1/64 - 11 c., Регистрация 11.04.2016. - Опубл. 09.07.2018 г., Бюл. №19.

6. ГОСТ 23611-79. Совместимость радиоэлектронных средств электромагнитная. Термины и определения. - М.: Стандартинформ, 2005 - 10 с.

7. https://www.analog.com/en/products/ad9626.html

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для создания перспективных радиосредств с программируемой архитектурой с цифровой обработкой сигналов непосредственно на радиочастоте в условиях воздействия блокирующих сигналов для обеспечения устойчивой радиосвязи в сложной помеховой обстановке. Техническим результатом изобретения является увеличение динамического диапазона по интермодуляции в условиях наличия блокирующей помехи на входе приемника при сохранении динамического диапазона по блокированию. Радиоприемное устройство с плавным управлением размывающего сигнала дополнительно содержит последовательно соединенные устройство регулирования амплитуды размывающего сигнала (11) и блок масштабирования (13). Блок масштабирования состоит из последовательно соединенных формирователя цифрового размывающего сигнала (6) и цифрового умножителя (14). Второй вход цифрового умножителя является входом блока масштабирования (13). Выход цифрового умножителя (14) является выходом блока масштабирования (13) и соединен с входом цифроаналогового преобразователя (ЦАП) (12). Выход ЦАП соединен со вторым входом сумматора (2). Выход вычислителя амплитуды принимаемого сигнала (10) соединен с входом устройства регулирования амплитуды размывающего сигнала (11). 3 ил.

Радиоприемное устройство с плавным управлением размывающего сигнала, содержащее последовательно соединенные блок входных цепей и преселектора, сумматор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровой приемный тракт и демодулятор, выход которого является информационным выходом устройства, источник частоты дискретизации, состоящий из N опорных генераторов, выходы которых соединены с соответствующими N входами коммутатора, выход которого является выходом источника частоты дискретизации и соединен с тактовым входом АЦП, выход которого соединен с входом вычислителя амплитуды принимаемого сигнала, а также формирователь размывающего сигнала, причем вход блока входных цепей и преселектора подключен к антенне, отличающееся тем, что введены последовательно соединенные устройство регулирования амплитуды размывающего сигнала и блок масштабирования, состоящий из последовательно соединенных формирователя цифрового размывающего сигнала и цифрового умножителя, второй вход которого является входом блока масштабирования, выход цифрового умножителя является выходом блока масштабирования и соединен с входом цифроаналогового преобразователя (ЦАП), выход которого соединен со вторым входом сумматора, при этом выход вычислителя амплитуды принимаемого сигнала соединен с входом устройства регулирования амплитуды размывающего сигнала.