РЭС ЗИ / Лекция 9 н

Лекция 9

5.6. Цифровое радиоприемное устройство АРК-ЦТ1

Рассмотрим построение ЦРПУ третьего поколения АРК-ЦТ1 [2], Это радиоприемное устройство конструктивно состоит из двух блоков: аналогового радиоприемного тракта ЦТ1 и блока цифровой обработки АЦО1 (рис.5.33).

Технические характеристики ЦРПУ АРК-ЦТ1

Рабочий диапазон частот базового комплекта, МГц................20...2020

Входной аттенюатор, дБ..........................................10, 20, 30

Максимально допустимый сигнал на входе, дБм...................23

Коэффициент шума, дБ, в диапазоне (25...1000) МГц не более: 14,

свыше 1000.. не более.16.

Относительная нестабильность частоты опорного генератора......5 х 10^~6

Относительная погрешность установки частоты................... 10^~6

Время настройки синтезатора, мс, не более......................10

Фазовый шум гетеродина при расстройке на 10 кГц, дБ/Гц........- 95

Избирательность и Нелинейные искажения:

ослабление помеху промежуточной частоты, дБ, не менее......70

избирательность по зеркальному каналу........................70

динамический диапазон по интермодуляции 3-го и 2-го порядка. 70 неравномерность коэффициента передачи в рабочем диапазоне частот, дБ, не более..............................................±3

Сигнал промежуточной частоты:

частота аналогового сигнала ПЧ, МГц...........................10,7

полоса пропускания до выхода ПЧ, МГц.........................2

Дискретность установки частоты демодулятора, Гц................1

Интервал рабочих температур, °С.................................-10...+60

Напряжение питание, В .............................24...30

Потребляемая мощность, ВА, не более............................18

Размеры (ширина х высота х глубина), мм..........................300x65x255

Масса, кг, не более ..............................4

Структурная схема радиоприемного тракта представлена на рис. 5.34. Основными частями тракта являются: блок преселекторов, блок смесителей, блок синтезаторов частоты с опорным генератором и блок управления.

Рис. 5.33. Структурная схема АРК-ЦТ1

Для достижения высокой избирательности по комбинационным каналам необходимо обеспечить хорошую селекцию сигналов в преселекторе. Использование полосовых фильтров с фиксированными полосами пропускания допустимо только в случае сравнительно узких рабочих диапазонов приемника. Ввиду того что основной областью применения данного ЦРПУ является радиомониторинг в широком диапазоне частот, в преселекторе использован набор из десяти следящих фильтров, переключаемых аналоговыми коммутаторами, для поддиапазонов частот 20...35, 35...60, 60...100, 100...170, 170...240, 240...333, 333...465, 465...700, 700...1012, 1012...2020 МГц. Средний коэффициент перекрытия по частоте около 1,58. В пределах поддиапазона каждый фильтр является перестраиваемым, при этом центральная частота полосы пропускания фильтра равна частоте настройки приемника. В диапазоне частот 20...1012 МГц применены полосно-пропускающие фильтры (ППФ), а в диапазоне 1012...2020 МГц — фильтр верхних частот (ФВЧ) с частотой среза, определяемой по частоте настройки приемника. Полоса пропускания фильтров в диапазоне 20... 1012 МГц на уровне —3 дБ около 10 %, а полоса на уровне —70 дБ 50...150 % частоты настройки приемника. На рис. 5.35 показаны экспериментальные зависимости коэффициентов передачи преселектора, полученные при испытаниях серийного образца приемника на частотах настройки 20 и 701 МГц.

Управление коммутаторами и фильтрами преселектора осуществляется специальным контроллером. В ходе заводской настройки для каждого экземпляра приемника выполняется запись в контроллер значений управляющих напряжений в 16 точках каждого частотного поддиапазона. Полученный таким образом массив обеспечивает точную настройку фильтров на любой частоте настройки приемника. В рабочем режиме приемника напряжения, подаваемые на варикапы фильтров с выходов блока ЦАП контроллера, вычисляются путем линейной интерполяции запомненных управляющих значений. Индексы, по которым выбираются управляющие значения, рассчитываются по частоте настройки приемника. Аналогичный подход использован для поддержания равномерности коэффициента передачи преселектора. Неравномерность коэффициента передачи не превышает 3 дБ на любой частоте рабочего диапазона приемника. Внешний вид преселектора ЦРПУ АРК-ЦТ1 снятыми экранами показан на рис. 5.36.

На входе преселектора приемника имеется аттенюатор, регулирующий ослабление входного сигнала на 0, 10, 20 или 30 дБ.

а) б)

Рис. 5.35. Частотные характеристики преселектора на частотах настройки 20 (а) и 701 МГц (б)

Рис. 5.36. Преселектор ЦРПУАРК-ЦТ1

Следующим важным элементом приемного тракта, определяющим разрешающую способность и скорость перестройки приемника, является блок синтезаторов частот. Единая опорная частота 12,8 МГц от задающего генератора с кварцевой стабилизацией частоты и температурной стабилизацией поступает на блок синтезаторов. Перестройка ЦРПУ с шагом 10 кГц реализуется перестройкой первого гетеродина, настройка с шагом 500 Гц — перестройкой 3-го гетеродина, настройка с шагом 1 Гц реализуется в блоке ЦОС.

К особенностям блока синтезаторов радиоприемных устройств АРК-ЦТ1 следует отнести способ устранения побочных гармоник, проникающих в тракт ПЧ. Это достигается путем одновременного сдвига частот 1 -го и 2-го гетеродинов при данной частоте настройки приемника на заранее выбранное смещение. В результате во всем рабочем диапазоне приемника от 20 до 2020 МГц побочные гармоники отсутствуют.

Другой особенностью синтезатора является возможность коррекции частоты встроенного опорного генератора. Относительная нестабильность частоты опорного генератора в диапазоне температур от 0 до +50 °С достигает 3 10^-6. Программная коррекция частоты опорного генератора при эксплуатации в расширенном диапазоне температур обеспечивает уменьшение температурной нестабильности не менее, чем в три раза.

Для повышения стабильности частоты приемника предусмотрено подключение внешнего опорного генератора 10 или 12,8 МГц. Переключение с внутреннего на внешний опорный генератор осуществляется программным путем. Блок синтезаторов приемника обеспечивает установку частоты с точностью не хуже 250 Гц менее, чем за 15 мс.

Одним из факторов, определяющим разрешающую способность приемного устройства, является фазовый шум синтезатора частоты. В ЦРПУ АРК-ЦТ1 уровень фазовых шумов в основном обусловлен шумами первого гетеродина, которые возрастают с увеличением его частоты, Ввиду того что перекрытие по диапазону обеспечивается совместной работой всех гетеродинов, распределение шумов по диапазону настроек зависит от частоты настройки, но не превышает 95 дБ/Гц. На рис. 5.37 приведена типовая зависимость спектральной плотности мощности фазового шума от смещения частоты генерируемого сигнала.

Радиоприемный тракт построен по схеме супергетеродина с тремя преобразованиями частоты. Четвертое преобразование частоты реализуется в блоке аналого-цифровой обработки сигналов. Значение первой промежуточной частоты зависит от частоты принимаемого сигнала настройки приемника и составляет 712 или 302 МГц, значение второй ПЧ — 45 МГц и, наконец, значение третьей — 10,7 МГц. ЦРПУ имеет буферизованный выход третьей ПЧ, который можно использовать для подключения дополнительных устройств, например декодеров радиосигналов.

Рис. 5.37. Спектрограмма фазового шума на выходе ПЧЗ при настройке на 460 МГц

Избирательность радиоприемного устройства по соседнему каналу приема определяется характеристиками используемых фильтров ПЧ, Поэтому при проектировании аналогового тракта ЦРПУ много внимания уделялось разработке фильтров промежуточной частоты.

Результирующие характеристики фильтров приведены в табл. 5.3. Применение таких фильтров гарантирует подавление зеркальных и побочных каналов, возникающих в результате переноса спектров на величину не менее 70 дБ. Типичным значением уровня подавления комбинационных помех является 90 дБ,

Структурная схема блока АЦО1 представлена на рис. 5.38. Блок состоит из двух основных узлов преобразователя частоты третьей ПЧ (10,7 МГц) в четвертую ПЧ (1,6 МГц), аналого-цифрового преобразователя, цифрового сигнального процессора, контроллера управления.

Сигнал на частоте 1,6 МГц подвергается аналого-цифровому преобразованию в 12-разрядном АЦП с частотой дискретизации 6,4 МГц.

Таблица 5.3 Характеристики избирательности фильтров промежуточной частоты

Параметр	Промежуточная частота, МГц
	302	712	45	10,7	1,6
Неравномерность АЧХ в полосе пропускания, дБ, не более Полоса пропускания на уровне -1 дБ, МГц Полоса пропускания на уровне -70 дБ, МГц	±0,5 17 60	±0,5 24 90	±0,5 6 20	±0,5 3,2 6,4	±0,5 2 3,2

к ПЭВМ к блоку ЦТ1 от источника питания

Рис. 5.38. Структурная схема блока АЦ01

Частоты четвертой ПЧ 1,6 МГц и АЦП связаны между собой. Выбранное отношение входной частоты 1,6 МГц к частоте дискретизации 6,4 МГц, равное 1:4, позволяет использовать алгоритмы, сокращающие число вычислительных операций при получении комплексной огибающей цифрового сигнала [2]. Операции, связанные с переносом спектра с третьей ПЧ на четвертую ПЧ, показаны на рис. 5.39.

Рисунок 5.39 – Переход на промежуточную частоту 1.6 МГц.

Перед аналого-цифровым преобразованием сигнал в канале 1,6 МГц дополнительно фильтруется в полосовом фильтре с полосой пропускания 2 МГц. При отстройке от центральной частоты полосы пропускания на 2,6 МГц обеспечивается подавление не менее, чем на 80 дБ. Неравномерность коэффициента передачи фильтра в полосе пропускания не превышает 1 дБ, С выхода полосового фильтра сигнал поступает на вход АЦП.

После аналого-цифрового преобразования цифровой сигнал поступает в цифровой сигнальный процессор компании Analog Devices, основное назначение которого состоит в спектральном анализе сигналов на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ). Длина типового спектра составляет 1024 комплексных отсчета. Дискретность спектральных отсчетов составляет 3,125 кГц. Для уменьшения эффекта Гиббса входная временная выборка взвешивается окном Кайзера-Бесселя, при выбранной частоте дискретизации эквивалентная шумовая полоса окна составляет 6 кГц. Время вычисления комплексного спектра 1024 отсчета не превышает 5,5 мс. В случае необходимости длина временной выборки, используемой в вычислениях, может достигать 16000 отсчетов. В ЦСП могут осуществляться дополнительные виды обработки, такие, как обнаружение сигнала, вычисление разности фаз, пиковое, квазипиковое и среднеквадратическое детектирование, цифровая демодуляция.

Обмен с ПЭВМ осуществляется по параллельному порту принтера, При этом могут использоваться протоколы EPP, Bi-Di или SPP. Особенностью блока АЦ01 является то, что программы для ЦСП загружаются из ПЭВМ. Это обеспечивает быструю смену программы ЦСП непосредственно в процессе его работы.

Цифровое радиоприемное устройство АРК-ЦТ1 имеет в своем составе импульсный блок вторичного электропитания, обеспечивающий возможность работы приемника от источников питания с диапазоном напряжений от 9 до 33 В и не ухудшающий чувствительность аналоговых цепей приемника.

В радиоприемном устройстве поддержку внутреннего температурного режима обеспечивает программно-аппаратный контроллер, управляющий внутренними нагревательными элементами и внешним принудительным обдувом, используемым в сочетании с тепловыми радиаторами, установленными на корпусе приемника.

ЦРПУ АРК-ЦТ1 может работать в условиях существенных механических воздействий. Он устойчив к вибрационным нагрузкам в диапазоне частот от 10 до 55 Гц амплитудой перемещения 0,15 мм и ударым нагрузкам с пиковым ускорением 10 g при длительности ударного импульса 16 мс.

На базе приемника АРК-ЦТ1 легко реализуется двухканальный когерентный приемник АРК-ЦТ2, он состоит из двух идентичных радиоприемных трактов АРК-ЦТ1 и двухканального блока аналого-цифровой обработки.

Перечисленные особенности ЦРПУ АРК-ЦТ1 сделали возможным его использование в качестве аппаратного ядра для мобильных и разворачиваемых комплексов радиомониторинга и пеленгования АРК-МК1 -АРК-МК6 [2], а также в одноканальных системах выявления каналов утечки информации АРК-Д1Т и двухканальных АРК-Д7 [2].