«Радиоприемники ис (импульсных сигналов)»

План лекции

11.1 Общие сведения об ИС

11.2 Характеристика аналогового приемника панорамной РЛС

11.3 Расчет основных показателей радиоприемника ИС

Литература

1. Хольний В. Я. Конспект лекций ("Устройства приема и обработки сигналов" и "Альбом рисунков и таблиц к конспекту лекций по дисциплине Устройства приема и обработки сигналов ") Кривой Рог: КК НАУ, 2012 – 56с.

2. Фомин А. И. Радиоприемные устройства – М.: Радио и связь, 2003г. – 520 с.

3. Румянцев К.Е. Радиоприемные устройства: учебник. – М.: Видавничий центр «Академия», 2006г. – 336с.

4. Головин О. В. Радиоприемные устройства – М.: Горячая линия–Телеком, 2004г. – 384с.

5. Карлов А. М., Криници В. В., Логвин А. И. Прием и обработка сигналов в авиационных радиоустройствах. М.: Транспорт, 1992 – 328 с.

Содержание лекции

11.1 Общие сведения об ИС

Определение. ИС – периодическая последовательность прямоугольных импульсов с постоянной амплитудой, длительностью(рис.38, а).

Параметры и спектр радиосигнала (рис. 38,б,в).

Применение. В радиолокационных системах (РЛС), которые позволяют получить информацию об удаленных объектах в воздухе и на земле, путем приема отраженных электромагнитных волн, содержащих данные об их типе и координатах. С помощью РЛС решаются задачи управления воздушным движением на всех его этапах. Они позволяют получить информацию об окружающей обстановке, координатах ВС и удаленных объектах. На борту ВС устанавливается:метеонавигационная радиолокационная станция (РЛС) ; бортовой самолетный ответчик (СО) , доплеровский измеритель скорости и угла сноса (ДИСС), радиовысотометр (РВ), самолетный радиодальнометр (СД). Работу системы УВД на земле в свою очередь обеспечивают: РЛС трассовые обзорные (ОРЛ-Т), РЛС трассовые и аэроузловые (ОРЛ-ТА), аэродромные обзорные (ОРЛ-А), посадочные (ПРЛ), материологические (МРЛ).

Особенности РЛС.

• Как правило автономность канала.

• Радиоканал обрабатывает сигнал в диапазоне СМВ (λ=10…1см,ƒ=3-30ГГц).

• Большой динамический диапазон сигналов:

• десятки кВт в импульсе при излучении;

• тысячные доли микроват при приеме.

• Широкая полоса частоты радиоканала связи (при τ_u=1 мкс, Ш = 2 МГц).

• Повышенная реальная чувствительность РПУ и помехозащищенность.

• Высокая информативность.

• Использование аналоговых сигналов и с цифровым кодированием.

• Эксплуатация в жестких условиях.

11.2 Характеристика аналогового приемника панорамной рлс

Особенности радиосигнала. РПУ обрабатывает импульсные РС прямоугольных импульсов, отраженных от наземных и воздушных объектов. Информация о типе, физических своиствах объектов отображается в закономерности изменениях амплитуды отраженных радиоимпульсов.

Структурная схема (рис.38,г).

• Радиоприемник выполняется по супергетеродинной схеме с однократным или двухкратным преобразованием частоты для обеспечения высокой реальной чувствительности, помехозащищенности и стабильности работы в жостких условиях эксплуатации.

• Особенности схемы относительно типовой супергетеродина АМС.

• Антенно – фидерная устроиство (АФУ) общее для РПДУ и РПУ.

1. Назначение. Обеспечивает канализацию мощности от РПДУ к антенне (А) и защиту полупроводниковых приборов на входе РПУ от мощных зондирующих импульсов, а также передачу мощности сигнала от А на вход РПУ с малыми потерями.

2. Состав функциональных элементов (рис. 39,а) параболическая антенна с диэлектрическим излучателем , фидер в виде волноводной или плосковой линии, волноводной переключатель (Ц1) и средства защиты от мощного зондирующего импульса (Ц2- волноводный вентиль, ГР-газовый разрядник, VD₁- диодный резонансный СВЧ- ограничитель ).

3. Принцип работы:

-режим передачи. В период воздействия зондирующего импульса РПДУ канал 1-2 трехплечевого волноводного переключателя Ц1 открыт, энергия импульса излучается А с ослаблением 0.2-0.5 дБ . Канал 1-3 ослабляет импульс на 30 дБ. Волноводный вентиль Ц2, нагруженный на соглассованную нагрузку R_H , обеспечивает передачу импульса на газовый разрядник ГР через канал 1-2 с малым затуханием. ГР срабатывает и создает режим к.з, отраженная энергия импульса просачивается через ГР, ее может оказаться достаточным для отказа полупроводниковых приборов в составе первых каскадов РПУ. Для предотвращения такого результата предусмотрен резонансный СВЧ- ограничитель, VD₁ включенный в основную полосковую линию через отрезок λ/4. Полупроводниковый диод обеспечивает ослабление зондирующего импульса на 15- 20 дБ.

-режим приема. Отраженный от цели эхо- сигнал поступает из А. с незначительным ослаблением проходит через каналы: 2-3 9 (Ц1) , 1-2 (Ц2), прямые потери через потухший разрядник (0.3-1.5) дБ и на участке диодного ограничителя (0.1-0.3) дБ, попадает на первый каскад РПУ .

• Тракт сигнальной частоты

1. Назначение . Обрабатывает радиоимпульсный сигнал СМВ.

2. Решаемые задачи:

-защищает полупроводниковые приборы от мощных импульсных колебаний;

-усиливает сигнал для обеспечения повышенной реальной чувствительности радиоприемника;

-обеспечивает частотную селекцию относительно опасных помех.

88. Структурные каскады и звенья:

-ферритовые волноводные циркуляторы (Ц1 и Ц2) , газовый разрядник (ГР) и диодный ограничитель (VD₁) – (рис.39,а).

-резонансный полосовой фильтр (ПФ) на полосковых линиях ;

-апериодический малошумящий усилитель СВЧ (УСЧ) на транзисторе с ОЭ (рис.39,б) или туннельном диоде.

• Тракт промежуточной чачтоты (ТПЧ).

1. Назначение ТПЧ обрабатывает радиоимпульсный сигнал на промежуточной частоте.

2. Решаемые задачи:

-преобразование несущей РС в промежуточную;

-обеспечение повышенной помехозащищенности по внутреннему шуму, комбинационным и соседним помехам;

-обеспечение усиления РС от реальной чувствительности до значения амплитуды напряжения на входе видеодетектора , при котором возможно линейное детектирование;

-сжатие динамического диапазона;

-повышенная точность настройки и стабильность частоты.

89. Структурные каскады и звенья (рис. 38, г): СМ,Г,АПЧ,УПЧ,ВАРУ (временная АРУ)

90. СМ одноконтурный балансный на диодах (точечный или с барьером Шотки). Конструктивно схема БС включает две смесительные секции и СВЧ мост (рис. 40, а). Его принципиальная и эквивалентная схемы изображены на рис. 40 , в, г.

91. Гетеродин выполняется на отражательном клистроне или лампе обратной волны, которые позволяют осуществить электронную перестройку частоты генерируемых колебаний.

92. АПЧ двухканальная частотная. В ее состав входит аттенюатор (АТ),СМ,УПЧ, различитель и управитель. Настройка осуществляется в два этапа : поиск, если ƒ_пр=ƒ-ƒ_с выходит за пределы полосы пропускания УПЧ и слежения- в пределах полосы пропускания.

93. Усилители промежуточной частоты:

-схемотехническое исполнение. Конструктивно УПЧ выполнен в виде двух блоков: предварительного усиления промежуточной частоты (ПУПЧ) и основного УПЧ;

-ПУПЧ и БС размещены возможно ближе к А , что позволяет уменьшить потери мощности в линии передачи и уменьшить коэффициент шума ВЦ. ПУПЧ обеспечивает линейную АЧХ, малый K_u=20 – 100, работу на соглассованный кабель. Выполняется на транзисторах СВЧ по каскадной схеме с одиночным ПФ и питающем напряжением 30 – 40 В;

-основной УПЧ размещен на значительном расстоянии от ПУПЧ и связан с ним с помощью высокочастотного кабеля (рис. 41, а) Он обеспечивает основное усиление радиоканала, определяет помехозащищенность по внешним помехам, формирует полосу пропускания (П_РПУ≈П_УПЧ) и логарифмическую амплитудную характеристику (ЛАХ). Выполняется в виде многокаскадного широкополосного УПЧ, на входе которого подключен ФСИ а на выходе ПФ с полосой пропускания в (2 – 5) раз шире, чем ФСИ. Последний снижает уровень собственных шумов УПЧ. Апериодические усилители формируют АЧХ тракта вида

U_вых=S_AXlgU_вх,Н ,

где S_AX- крутизна ЛАХ; U_вх,Н – начальное входное напряжение с которого формируется ЛАХ (рис. 41,г). ЛАХ сжимает динамический диапазон УПЧ , т.е. при одинаковом изменении выходного напряжения с линейной амплитудно частотной характеристикой U_вых=S_AXU_вх (рис. 41,в), позволяет расширить диапазон изменения амплитуды входного напряжения с 4 до 10⁴. Сжатие необходимо для обеспечения нормального функционирования ЭЛТ, которая способна изменять контрастность изображения при изменении амплитуды напряжения сигнала в 12 – 15 раз.

Формирование ЛАХ. Наиболее широкое применение получила схема формирования ЛАХ методом последовательного детектирования выходных напряжений каскадами основного УПЧ, переходящими по мере увеличения уровня входного сигнала в режим детектирования и суммирования полученных видеосигналов (рис. 41,б). При входном напряжении U_вх , не превышающим некоторый начальный уровень U_вх,Н , все каскады УПЧ работают в линейном режиме. Напряжение с выхода последнего n-каскада УПЧ детектируется с помощью ВД и через суммирующий ВУ поступает на выход блока, т.е. К_и=тах=Соnst.

При входном напряжении U_вх≥U_вхН последний каскад УПЧ переходит на режим насыщения и напряжения и напряжение на его выходе не увеличивается и амплитуда напряжения видеоимпульсов, снимаемых с ВД, по мере роста входного напряжения переходят в режим насыщения последовательно (n-1), (n-2) и т.д. каскады УПЧ. Вместе с насыщением в этих каскадах протекает режим детектирования. При этом на суммирующий ВУ с этих каскадов поступают видеоимпульсы образующие в сумме выходные напряжения с ЛАХ. Чем больше уровень входного сигнала, тем больше каскадов УПЧ работает в режиме детектирования и тем больше амплитуда видеоимпульсов на выходе схемы. При правельном выборе основания логарифма и при условии, что ЛАХ начинается с уровня собственных шумов основного УПЧ удается динамический диапазон входных сигналов 80…100 дБ, сжать до 10…20дБ. Погрешность формирования ЛАХ составляет примерно 10%.

• Видеодетектор (ВД)

1. Назначение ВД преобразует радиоимпульсные сигналы в видеоимпульсные, форма которых повторяет закономерность модуляции.

2. Принцип исполнения схемы такой же как последовательного АД на диоде (рис. 42,а и 21,г). Однако, в составе схемы ВД может применяться дополнительный фильтр нижних частот L_ф, С’_ф, С’’_ф.

3. Алгоритм преобразования радиоимпульса в видеоимпульс (рис. 42,б):

-входной радиоимпульс с прямоугольной огибающей ;

-выходной радиоимпульс отличается от прямоугольной формы, так как его передний и задний фронты имеют меньшую крутизну, т.е. детектирование протекает с искажением;

-передний фронт видеоимпульса формируется за счет переходного процесса заряда С_ф через VD;

-задний фронт видеоимпульса формируется переходным процессом разряда С_ф через R_ф с момента прекращения действия радиоимпульса.

94. Анализ показателей:

-коэффициент передачи напряжения

↑К_и=cosθ_y=ψ(↓θ_y)≈0.8-0.9,

где θ_у- угол отсечки тока диода в установившемся режиме (рис.42,б).

-входное сопротивление каскада в установившемся режиме R_вх,у≈0.5 R_ф

-время установления импульса.

↓t_y=5C_ф(2 R_i+m² R_э∙cosθ_y)/(I+ m² R_э/R_вх,у)= ψ(↓С_ф ↓R_i ↓m), где

-m- коэфициент включения ПФ УПЧ к ВД;

-R_э – эквивалентное сопротивление ПФ УПЧ;

-время спадания импульса.

↓t_c=2.3 R_фС_ф= ψ(↓С_ф↓R_ф) →↓С_ф ;

-Коэффициент фильтрации колебаний радиочастоты

↓K_ф(С_ф К_ф)= С_д/(С_ф+С_д)=ψ(↑С_ф, ↓С_д) ;

↓К_ф(С_ф R_фL_фС’_фС’’_ф)= С_дС’_ф/(С_ф + С_д)(С’’_ф+ С_ф )= ψ(С’_ф, ↑С’’_ф) ;

• Оконечные устроиства

1. Назначение. Преобразование видеоимпульсных сигналов, содержащих радиолокационную информацию, в форму, удобную для визуального восприятия или принятия решения.

2. Решаемые задачи:

-преобразуют видеоимпульсные сигналы в разнояркостные изображения радиолокационной информации;

-преобразуют видеоимпульсные сигналы в текстовое и цифровое отображение радиолокационной информации;

-преобразуются видеоимпульсные сигналы в команды для пилотажно - навигационного комплекса ЛА.

95. Варианты:

-электронно – лучевая трубка с магнитным управлением и электростатической фокусировкой для получения контрастного отображения визуальной информации ;

- специализированный цифровой вычислитель (СЦВ), связанный с дисплеями или вырабатывающий команды для решения задач автоматического управления полетом.

• Видеоусилитель (ВУ).

1. Назначение. ВУ усиливает видеосигнал до уровня, необходимого для нормальной работы оконечного устроиства.

2. Решаемые задачи :

-усиление широкополосного видеосигнала;

-формирование ступенчатой трехуровневой амплитудной характеристики для получения на экране ЭЛТ, трех ярко выраженных яркостных оттенков: серого, темного, яркого (рис. 42,г).

-обеспечения согласования с различными оконечными устройствами: с индикатором ЭЛТ, аналогово-цифровым преобразователем, пороговым устройством, с устроиством принятия решения и т.д.

96. Схемотехническое решение (рис. 42,в)

Предварительный ВУ двухканальный:

-каждый канал многокаскадный широкополосный усилитель из резисторных каскадов на транзисторах с ОЭ;

-видеоусилитель «Фон» усиливает слабые сигналы;

-видеоусилитель «Выделение» усиливает сильные сигналы;

Сместитель суммирует сигналы трех уровней.

Оконечный видеоусилитель (ОВУ) усиливает сигнал по мощности, имеет линейную амплитудную характеристику.