Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

РЭС ЗИ / Лекция №8 н

.docx
Скачиваний:
172
Добавлен:
01.06.2015
Размер:
110.08 Кб
Скачать

Лекция №8 н

5.4. Особенности цифровых радиоприемных устройств

Общие принципы построения цифровых радиоприемных устройств. Цифровое РПУ — это приемное устройство, в котором осуществляется обработка сигнала в аналоговой и цифровой формах [2].

В цифровом радиоприемном устройстве (ЦРПУ), предназначенном для приема аналоговых сигналов, осуществляется полная или частичная цифровая обработка сигналов (ЦОС). По степени использования ЦОС ЦРПУ можно разделить на две группы: приемники, в которых отсутствует преобразование принимаемого сигнала в цифровую форму, а на цифровой элементной базе реализованы отдельные узлы, например, устройства управления, контроля, отображения информации, системы вхождения в связь, системы автоматического регулирования, цифровые синтезаторы частот, и приемники, в которых сигнал преобразуется в цифровой вид и на цифровой элементной базе выполнена часть главного тракта приема, включая цифровой фильтр селекции сигналов, цифровые демодуляторы, цифровые устройства распознавания и измерения параметров сигналов, а также вспомогательные узлы.

Рис. 5.28. Обобщенная структурная схема цифрового РПУ

Наиболее многочисленной в настоящее время является первая группа радиоприемных устройств. Практически все современные профессиональные радиоприемные устройства имеют в своем составе узлы, реализованные на цифровой базе.

К приемникам второй группы относятся устройства, в которых в аналоговом виде осуществляется предварительная фильтрация сигнала, его усиление, преобразование частоты сигнала на промежуточную частоту, далее сигнал ПЧ подвергается аналого-цифровому преобразованию и вся дальнейшая обработка сигнала осуществляется в цифровом виде.

Ко второй группе относятся практически все современные радиоприемные устройства, предназначенные для решения задач радиомониторинга. Обобщенная структурная схема цифрового радиоприемного устройства включает пять функциональных блоков, как показано на рис. 5.28.

Усилительно-преобразовательный тракт принимает сигнал от антенны, отфильтровывает его от помех, смещает спектр входного сигнала на промежуточную частоту, на которой выполняется аналого-цифровое преобразование. В состав усилительно-преобразовательного тракта могут входить вспомогательные узлы — система АРУ, аттенюаторы, ограничители и т.п., влияющие на амплитудную характеристику усилительного тракта, но не вносящие искажений в принимаемую информацию.

В тракте ЦОС осуществояется основная обработка сигнала. Он включает фильтр, в значительной степени определяющий помехоустойчивость приемного устройства, демодулятор, цепи последетекторной обработки.

Синтезатор частот преобразует частоту внешнего или собственного опорного генератора и формирует из него необходимые для работы сетки частот. Синтезатор позволяет перестраивать приемное устройство на другую входную частоту. Отдельные синтезаторы могут входить в состав следящих систем. Кроме того, синтезатор может формировать сетки частот, необходимые для работы цифровых устройств обработки сигнала.

Устройство управления и отображения реализует в автономном режиме заданный алгоритм работы приемного устройства (включение, выключение, поиск и выбор сигнала, адаптацию к меняющимся условиям работы и т.п.), позволяет оператору вручную или автоматизированно управлять приемным устройством.

Вторичный источник питания предназначен для преобразования энергии первичного источника, например стационарной сети 220 В или бортовой сети, в форму пригодную для использования непосредственно в приемном устройстве.

Виды радиоприемных устройств для радиомониторинга. Несмотря на общность принципов работы, из всего разнообразия РПУ, используемых в настоящее время для решения задач радиоыюниторинга, можно выделить несколько характерных видов, приведенных в табл. 5.2.

Для сканирующего приемника характерны высокие реальная чувствительность и избирательность, использование методов, обеспечивающих помехоустойчивость и надежность в условиях воздействия сильных импульсных, флуктуационных и сосредоточенных по спектру помех. Как правило, сканирующий приемник относится к первой группе цифровых радиоприемных устройств.

Селективный микровольтметр — вольтметр, снабженный перестраиваемым уэкополосным фильтром и благодаря этому измеряющий напряжение в полосе частот, вплоть до отдельных гармоник спектра. Наиболее совершенные селективные микровольтметры отличаются от анализаторов спектра лишь ручной перестройкой и отсутствием панорамного отображения. Селективные микровольтметры позволяют измерять уровень сигналов на выходе антенного тракта в заданной полосе для широкого рабочего диапазона частот.

Анализатор спектра (АС)—универсальный измерительный прибор, предназначенный для исследования спектрального состава сигналов и измерения их параметров. Структура АС совпадает со структурой супергетеродинного приемника. В зависимости от типа датчика входного сигнала (с соответствующими согласующими цепями) АС может использоваться в различных областях науки и техники. В частности, при использовании антенны (в качестве датчика радиосигнала) АС становится панорамным приемником. При дополнительном подключении между антенной и АС цепей предварительной селекции такой анализатор способен выполнять задачи панорамного измерительного радиоприемника.

Таблица 5.2 Типы радиоприемных устройств, используемые для радиомониторинга

Тип

Наличие

Ширина

Отобра-

Наличие

Наличие

Измерение

устройства

пресе-

полосы

жение

калиб-

демоду-

параметров

лектора

пропускания

спектров

ровки

лятора

сигналов

Сканирую-

Да

Определяется

Обычно

Нет

Да

Нет

щий ра-

полосами

нет

диоприем-

сигналов,

ник

для прие-

ма которых

предназна-

чен прием-

ник (от сотен

герц до сотен

килогерц)

Селектив-

Да

Настраивае-

Обычно

Да

Жела-

Да

ный микро-

мая (от сотен

нет

тельно

вольтметр

герц до сотен

килогерц)

Анализатор

Обычно

Обычно

Да

Обычно

Жела-

Да

спектра

нет

настраи-

да

тельно

Панорам-

ваемая широкая.

Да

Нет

Обычно

Обычно

ный радио-

Обычно от со-

да

Да

приемник

тен килогерц

до десятков

мегагерц

Панорам-

Да

Настраивае-

Да

Да

Обычно

Да

ный изме-

мая (от де-

да

рительный

сятков герц

радиопри-

до десятков

емник

мегагерц)

Несмотря на все вышеперечисленные достоинства анализаторов, их использование при выполнении радиоконтрольных работ не всегда целесообразно, поскольку базовая технология построения анализатора, как правило, предназначена для реализации универсальных функциональных возможностей. В базовой комплектации АС обычно не имеет блоков предварительной селекции сигналов, поэтому его использование для решения задач радиомониторинга затруднительно.

Панорамный радиоприемник — РПУ с широкой полосой пропускания (от сотен килогерц до нескольких десятков мегагерц), с возможностью отображения спектрального состава сигналов и с высокой скоростью спектрального анализа (от сотен мегагерц до десятков гигагерц в секунду). Панорамный приемник, как правило, имеет демодуляторы сигналов с AM, ЧМ, ФМ, ОМ, возможность подключения к ПЭВМ.

Панорамный измерительный радиоприемник — это панорамный приемник с высокими метрологическими характеристиками измерения уровня, частоты и других параметров радиосигналов. Измерительным приемник является «сердцем» современной рад и о контрольной установки. В настоящее время собственно аппаратурная часть радиоконтрольного оборудования ограничивается антенным комплексом и измерительным приемником.

В состав измерительного приемника, как правило, входит набор из пикового, квазипикового и среднеквадратическогс детекторов, предназначенных для измерения уровней сигналов. Измерительный приемник должен обеспечивать частотное разрешение от нескольких герц до десятков килогерц при спектральном анализе сигналов и работать под управлением ПЭВМ.

Основной тип измерительного приемника — измеритель напряжений и мощностей ВЧ сигналов и помех; при известных параметрах приемной антенны работает как измеритель напряженности поля. Представляет собой специальный супергетеродинный приемник с измерительным прибором на выходе, который имеет высокую чувствительность (до 10~15 Вт) и избирательность (50...60 дБ). Измерительный приемник, как правило, является многодиапазонным приемником с регулированием полосы пропускания по ПЧ. Линейный тракт приема работает на линейный и квадратичный амплитудный детектор с заданными постоянными времени нагрузочной цепи, что дает возможность измерять средневыпрямленное, эффективное, пиковое значения гармонических и шумовых сигналов.

5.5. Развитие радиоприемных устройств компании ИРКОС

Системы первого и второго поколений. Системы радиомониторинга, выпускаемые компанией ИРКОС в начале ее деятельности в 1992-1998 годах, базировались на импортных сканирующих приемниках. В системах первого поколения использовались радиоприемники без существенных доработок, а в системах второго поколения в радиоприемных устройствах введены существенные усовершенствования, позволяющие повысить технические характеристики систем, в которых они использовались.

В системах первого поколения доработка приемников сводилась к установке дополнительных буферов аналоговых выходов промежуточной частоты для подачи сигнала на внешний блок цифровой обработки, Кроме того, устанавливался переключатель для размыкания цепи АРУ с целью обеспечения возможности работы в режиме многопроходного панорамного обзора с постоянным коэффициентом передачи тракта.

В системах второго поколения проводились более глубокие усовершенствования, в том числе устанавливались дополнительные блоки «быстрых» синтезаторов собственной разработки и изготовления, позволяющие значительно сократить время настройки приемника на заданную частоту и повысить скорость панорамного обзора.

В тот период выпускались такие изделия, как ручные пеленгаторы АРК-РП1 и АРК-РП2, комплекс многоканального радиоконтроля АРК-РД4, комплексы радиомониторинга АРК-ПКЗКУ и АРК-ПК5КУ, распределенные системы дистанционного радиомониторинга в удаленных помещениях и выявления каналов утечки информации АРК-ДЗ-ЭКУ и АРК-ДЗ-5КУ, многофункциональные комплексы радиомониторинга и пеленгования АРК-МК1 и другие изделия [2].

На цветных вкладках в конце книги (рис. П1-П5) представлены некоторые из этих систем.

Радиоприемные устройства третьего поколения. Опыт эксплуатации программно-аппаратных комплексов первого и второго поколения показал правильность выбранных программно-аппаратных решений, но при этом были выявлены следующие ограничения:

• большая неравномерность коэффициента усиления и собственных шумов радиоприемных устройств в рабочем диапазоне частот, которая не позволяла использовать системы в измерительных целях;

• недостаточный динамический диапазон в широкополосном тракте;

• невозможность оптимального управления РПУ в составе комплекса, приводящая к снижению быстродействия;

• низкая скорость перестройки, не позволившая преодолеть рубеж 50 МГц/с;

• неприспособленность для работы в системах радиотехнического контроля, требующих широкополосного выхода ПЧ;

• большое число пораженных частот, попадающих в полосу ПЧ;

• отсутствие возможности двухканального когерентного приема с двух РПУ без существенной модификации последних;

• проблемы электромагнитной совместимости РПУ и других блоков комплексов;

• конструктивные особенности РПУ, препятствующие их использованию в комплексах с повышенными требованиями к механическим и климатическим условиям эксплуатации.

Учитывая эти недостатки, было решено начать разработку нового ЦРПУ, который должен был обеспечить:

• возможность использования в многоканальных когерентных системах приема;

• динамический диапазон в широкополосном тракте по интермодуляции 2-го и 3-го порядка не менее 70 дБ;

• длительность перестройки с одной частоты на другую не более 15 мс при точности установки частоты 500 Гц;

• полосу цифровой обработки не менее 2 МГц;

• скорость спектрального анализа не менее 100 МГц/с при дискретности спектральных отсчетов 3 кГц;

• повышенную устойчивость к механическим и климатическим воздействиям, позволяющую использовать ЦРПУ в аппаратуре практически любых исполнений, базирующейся на транспортных средствах;

• минимизацию потребляемой мощности,

В результате интенсивной работы над новыми схемными и конструктивными решениями в 1999 г. увидело свет новое отечественное ЦРПУ третьего поколения АРК-ЦТ1, одно из исполнений которого представлено на рис. 5.29.

Рис. 5.29. ЦРПУ третьего поколения АРК-ЦТ1

Рис. 5.30. Панорамный измерительный приемник АРК-Д1ТР

Разработанный приемник имел приемлемые технические характеристики, в том числе динамический диапазон по интермодуляции третьего порядка не хуже 70 дБ, время переключения синтезатора около 10 мс, что при полосе пропускания 2 МГц дало возможность иметь скорость цифрового спектрального анализа 140...150 МГц/с при дискретности спектральных отсчетов 3,125 кГц. Неравномерность в полосе пропускания приемника не превышала 1,5 дБ. Приемник потреблял мощность не более 30 Вт.

На базе радиоприемного устройства АРК-ЦТ1 выпускались технические средства третьего поколения, в том числе средства радиомониторинга, пеленгования и выявления технических каналов утечки информации, например, АРК-Д1Т, АРК-ДЗТ, АРК-МК1М, АРК-МК2М, АРК-МКЗ, АРК-МК4, АРК-МК7 и др.

Высокие параметры приемника АРК-ЦТ1 и его дальнейшее совершенствование позволило создать панорамный измерительный приемник АРК-Д1ТР, сертифицированный в 2002 г. Госстандартом России в качестве средства измерений [7]. Внешний вид измерительного приемника АРК-Д1ТР приведен на рис. 5.30.

Радиоприемные устройства четвертого поколения. Постоянно растущие требования к комплексам выявления каналов утечки информации, радиомониторинга и пеленгования в сочетании с успешно решенной проблемой серийного выпуска одноканального и двухканального ЦРПУ АРК-ЦТ1, АРК-ЦТ2 третьего поколения обусловили разработку нового, четвертого, поколения ЦРПУ с расширенным набором функциональных возможностей и более высокими характеристиками. Основные требования к новому ЦРПУ:

• рабочий диапазон частот 0,01...3000 МГц;

• время перестройки синтезаторов не более 5 мс;

• наличие встроенного цифрового блока для демодуляции радиосигналов и технического анализа;

• повышенная односигнальная и многосигнальная избирательность, особенно в верхней части рабочего диапазона частот;

• расширенные возможности по цифровой обработке сигналов за счет использования многопроцессорных вычислителей и увеличения скорости обмена с управляющей ЭВМ;

• полоса пропускания радиоприемного тракта не менее 4 МГц;

• скорость спектрального анализа не менее 500 МГц/с;

• реализация принципа модульности конструкции, в частности, стоечного исполнения на основе конструктивных решений стандарта Compact PCI;

• возможность когерентного объединения приемников с возможностью выравнивания амплитудно-фазовых характеристик их радиоприемных трактов.

На данном этапе проектирования особое внимание уделялось разработке функционально и конструктивно законченных модулей, которые должны легко объединяться в разные варианты систем посредством различных объединительных плат и шасси,

В результате разработки в 2003 г. было выпущено цифровое радиоприемное устройство АРК-ЦТЗ. Рабочий диапазон частот нового приемника составил 9 кГц...3 ГГц. Время переключения синтезатора около 5 мс, а полоса пропускания приемника 5 МГц, что дало возможность вычисления спектральной панорамы со скоростью более 700 МГц/с. Динамический диапазон по интермодуляции третьего порядка был не хуже 75 дБ. Новый приемник использовался при создании технических средств четвертого поколения, в том числе двухканального комплекса радиомониторинга и поиска каналов утечки информации АРК-Д7К, в мобильных и стационарных пеленгационных системах АРК-МК1, АРК-МК2, в станции радиомониторинга АРГУМЕНТ. Внешний вид центрального блока системы АРК-МК1 на базе двух когерентно связанных приемников АРК-ЦТЗ показан рис. 5.31.

Параллельно с разработкой приемника АРК-ЦТЗ был спроектирован выносной дистанционно-управляемый преобразователь радиосигналов АРК-КНВ4, обеспечивший расширение верхней границы рабочего диапазона систем радиомониторинга до 18 ГГц и подавление побочных каналов приема на 40 дБ. Преобразователь имеет коэффициент шума не более 14 дБ, может работать как от внутренней направленной антенной системы, так и от внешней антенны. Его внешний вид изображен на рис. 5.32. Преобразователь может устанавливаться на измерительной мачте. В 2004 г. выносной преобразователь АРК-КНВ4 был сертифицирован Госстандартом России в качестве средства измерений [7].

Рис. 5.31. Центральный модуль системы АРК-МК1 с двухканальным ЦРПУ АРК-ЦТЗ

Рис. 5.32. Выносной преобразователь АРК-КНВ4

Радиоприемные устройства пятого поколения. К сожалению, аппаратура на базе ЦРПУ АРК-ЦТ1 и АРК-ЦТЗ имела достаточно большие массу и габаритные размеры, и ее сложно было эффективно использовать в носимых системах,

Учитывая накопленный опыт разработки и производства портативных пеленгаторов АРК-МК7 и аппаратуры ручного пеленгования АРК-РП1, а также размещения аппаратуры на различных наземных и воздушных носителях, в 2003 г. были сформированы следующие основные требования к портативному ЦРПУ следующего, пятого, поколения:

• конструкция приемника должна состоять из двух модулей: ВЧ-ОВЧ-СВЧ преобразователя радиосигналов и модуля цифровой обработки ;

• за базовый размер платы модуля необходимо принять размер 100x160 мм, являющийся мировым стандартом для промышленного оборудования;

• исполнение модуля должно обеспечивать его встраивание в аппаратуру пользователей;

• ЦРПУ должен использоваться в многоканальных когерентных системах приема;

• ЦРПУ должен иметь стабильные метрологические характеристики, достаточные для использования в качестве измерительного средства.

В качестве технических требований к параметрам ЦРПУ были использованы требования, предъявляемые к аппаратуре АРМ класса В [2]. При этом были наложены дополнительные ограничения по потребляемой мощности аналогового преобразователя радиосигналов — не более 8 Вт, модуля цифровой обработки сигнала — не более 10 Вт.

В середине 2004 г. появились первые образцы ЦРПУ пятого поколения, получившие название «Аргамак». В 2004-2005 годах на основе модулей и ЦРПУ семейства «Аргамак* было разработано пятое поколение технических средств радиомониторинга, пеленгования и выявления технических средств утечки информации, включающее стационарные, мобильные, портативные и носимые средства.

Соседние файлы в папке РЭС ЗИ