Приемное устройство сигналов с линейной частотной модуляцией от движущегося передатчика

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для приема информации по каналам связи преимущественно на подвижных объектах. Приемное устройство содержит первый 1, второй 11, третий 21, четвертый 14 и пятый 19 смесители, первый 6, второй 13 и третий 17 гетеродины, первый 2, второй 12 и третий 22 усилители промежуточной частоты, блок корреляторов 3, демодулятор 4, генератор опорных сигналов 7, синхронизатор 8, первый 15 и второй 20 фильтры, фазовый детектор 16, коммутатор 10, блок автоматической подстройки частоты 9, получатель информации 5 и блок автоматической подстройки длительности огибающей опорного сигнала 23. Технический результат - повышение точности временного положения максимума сигнала на выходе блока корреляторов 3. 2 ил.

Предлагаемое устройство относится к области радиотехники и может быть использовано для приема информации по каналам связи преимущественно на подвижных объектах.

Известны беспоисковые приемные устройства, построенные на базе согласованных фильтров или многоканальных корреляторов. Время поиска сигнала в таких устройствах соизмеримо с периодом используемой двоичной последовательности. Однако реализовать на практике такие приемные устройства при больших базах сигнала - задача весьма проблематичная (см. "Теория и применение псевдослучайных сигналов". Алексеев А.И., Шереметьев А.Г., Тузов Г.И., Глазов Б.И., М., Наука, 1969 г.).

Известно также приемное устройство широкополосных сигналов по а.с. 1109915, содержащее линейный тракт, согласованный фильтр, квадратурный перемножитель, интегратор, блок выбора и запоминания на такт, ФНЧ, управляемый фазовращатель, детектор огибающей, весовой сумматор и решающий блок.

Недостатком этого устройства является то, что при наличии на его входе структурной помехи резко падает помехоустойчивость по отношению к другим видам помех, а при достаточно большом уровне этой помехи наступает срыв связи.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому объекту является приемное устройство ФМ-сигналов по пат. 2085036, принятое за прототип.

Функциональная схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где обозначено: 1 - первый смеситель; 2 - первый усилитель промежуточной частоты (УПЧ); 3 - блок корреляторов; 4 - демодулятор; 5 - получатель информации; 6 - первый гетеродин; 7 - генератор опорных сигналов; 8 - синхронизатор; 9 - блок автоматической подстройки частоты (AПЧ);
10 - коммутатор;
11, 21 - второй и третий смесители;
12, 22 - второй и третий УПЧ;
13, 17 - второй и третий гетеродины;
14, 19 - четвертый и пятый смесители;
15, 20 - первый и второй фильтры;
16 - фазовый детектор;
18 - фазовращатель на 90^o.

Устройство-прототип содержит последовательно соединенные первый смеситель 1, первый УПЧ 2, блок корреляторов 3, демодулятор 4 и получатель информации 5. Последовательно соединенные второй смеситель 11, второй УПЧ 12, четвертый смеситель 14 и первый фильтр 15, выход которого соединен с входом коммутатора 10, а также последовательно соединенные фазовращатель на 90^о 18, пятый смеситель 19, второй фильтр 20 и фазовый детектор 16, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора 10, два выхода которого соединены с двумя входами блока АПЧ 9, выход которого соединен через первый гетеродин 6 со вторым входом первого смесителя 1. Кроме того, последовательно соединенные третий смеситель 21 и третий УПЧ 22, выход которого соединен со вторыми входами четвертого 14 и пятого 19 смесителей. При этом первый выход синхронизатора 8 соединен с входом второго гетеродина 13, выход которого соединен со вторым входом второго смесителя 11. Второй выход синхронизатора 8 соединен с управляющими входами первого 6 и третьего 17 гетеродинов, причем выход третьего гетеродина 17 соединен со вторым входом третьего смесители 21. Третий выход синхронизатора 8 соединен с входом генератора опорных сигналов 7, выход которого соединен со вторым входом блока корреляторов 3, третий вход которого соединен с четвертым выходом синхронизатора 8, вход которого подсоединен к выходу блока корреляторов 3. Выход первого фильтра 15 соединен с вторым входом фазового детектора 16. Входы первого 1, второго 11 и третьего 17 смесителей соединены с антенной.

Устройство-прототип работает следующим образом.

Принятый сигнал поступает одновременно на входы первого 1, второго 11 и третьего 21 смесителей, на вторые входы которых поступают сигналы с гетеродинов 6, 13 и 17 соответственно. Причем частота второго 13 гетеродина равна
f_г2=f_с-f_пч,
а частота третьего 17 гетеродина равна
f_г3=f_с+f_пч,
где f_с - частота принимаемого сигнала;
f_пч - промежуточная частота, получаемая в процессе преобразования и выделяемая фильтрами УПЧ.

При наличии эффекта Доплера частота принимаемого сигнала будет равна f_c±f_д, где f_д - частота, обусловленная эффектом Доплера.

Тогда в процессе преобразования на выходах второго 11 и третьего 21 смесителей будем иметь соответственно
(f_c+f_д)-f_г2=f_пч
или
f_c-f_г2=f_пч-f_д.

Аналогично
f_г3-(f_c+f_д)=f_пч
или
f_г3-f_c=f_пч+f_д.

На выходах смесителей, естественно, будут и другие частотные комбинации, но в данном случае нас интересуют только эти.

Сигналы с частотами f_пч-f_д и f_пч+f_д усиливаются в усилителях промежуточной частоты 12 и 22 и выделяются фильтрами, имеющимися в данных УПЧ.

Для простоты рассуждений взят случай, когда частота принимаемого сигнала увеличивается за счет эффекта Доплера.

Сигналы с выхода второго 12 и третьего 22 УПЧ поступают на входы смесителя 14, на выходе которого стоит фильтр 15, настроенный на частоту (f_пч+f_д)-(f_пч-f_д)=2f_д.

Сигнал с выхода УПЧ 12, кроме того, через фазовращатель 18 поступает на первый вход пятого смесителя 19, на второй вход которого подается сигнал с выхода УПЧ. 22. Фильтр 20, стоящий на выходе смесителя 19, также настроен на частоту 2f_д. Таким образом, на выходах фильтров 15 и 20 имеется сигнал одинаковой частоты, но сдвинут друг относительно друга на 90^o.

Следовательно, когда частота принимаемого сигнала увеличивается за счет эффекта Доплера, на выходе УПЧ 12 будет выделяться сигнал с частотой f_c-f_г2= f_пч-f_д, а на выходе УПЧ 22 - с частотой f_г3-f_с=f_пч+f_д, а когда частота принимаемого сигнала будет уменьшаться за счет эффекта Доплера, на выходе УПЧ 12 будет выделяться сигнал с частотой (fc-f_д)-f_г2=f_пч+f_д, а на выходе УПЧ 22 - с частотой f_г3-(f_c-f_д)=f_пч-f_д.

Подавая сигнал с выходов УПЧ 12 и 2ПЧ 22 на смесители 14 и 19, на выходах фильтров 15 и 20 всегда будет присутствовать сигнал с двойной частотой, обусловленной эффектом Доплера. Но так как в процессе преобразования в смесителях 14 и 19 выделяется всегда разностная частота двух промежуточных частот, то кроме абсолютной величины этой разностной частоты необходимо знать еще и знак этой разности. Для определения знака сигнала с выходов фильтров 15 и 20 сигналы подаются на входы фазового детектора 16, на выходе которого выделяется постоянное напряжение того или иного знака.

Напряжение с выхода фазового детектора 16 со знаком плюс или минус поступает на управляющий вход коммутатора 10, с помощью которого коммутируется сигнал с фильтра 15 на первый или второй вход блока АПЧ 9.

Блок АПЧ 9 в своем составе содержит два управляющих элемента, один из которых подстраивает частоту гетеродина вниз, а второй - вверх, в зависимости от знака напряжения на выходе фазового детектора 16.

Принятый сигнал одновременно поступает на вход смесителя 1 основного канала, на второй вход которого подается сигнал с гетеродина 6. На выходе смесителя 1 выделяется необходимая промежуточная частота. Сигнал промежуточной частоты с выхода смесителя 1 поступает на УПЧ 2, где усиливается до необходимой величины и затем подается на блок корреляторов 3. В блоке корреляторов 3, который состоит из перемножителей и интеграторов, производится оптимальная обработка этого сигнала, обеспечивающая высокую помехоустойчивость приема. На второй вход блока корреляторов 3 подается опорный сигнал с генератора 7 в виде фМ ШПС. Сигнал с выхода блока корреляторов 3 поступает в синхронизатор 8 и демодулятор 4.

Синхронизатор 8 осуществляет поиск фМ сигнала по частоте, для чего перестраивает частоту гетеродина 6 и управляет работой генератора 7 для поиска сигнала по времени. После окончания поиска и вхождения в синхронизм на выходе блока корреляторов 3 будет напряжение телефонного сообщения в виде ШИМ сигнала, который подается на вход демодулятора 4. С выхода демодулятора 4 информационный сигнал - телефонное сообщение - передается получателю информации 5. Синхронизатор 8, кроме указанных выше гетеродина 6 и генератора опорных сигналов 7, синхронизирует работу блока корреляторов 3 и демодулятора 4.

Недостатком устройства-прототипа является то, что оно не учитывает трансформацию временного масштаба огибающей принимаемого сигнала, что приводит к резкому ухудшению точности временного положения максимума сигнала на выходе блока корреляторов.

Для устранение указанного недостатка в приемное устройство, содержащее последовательно соединенные первый смеситель, первый усилитель промежуточной частоты (УПЧ), блок корреляторов, демодулятор и получатель информации, последовательно соединенные второй смеситель, второй УПЧ, четвертый смеситель, первый фильтр и коммутатор, последовательно соединенные фазовращатель, пятый смеситель, второй фильтр и фазовый детектор, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора, первый и второй выходы которого соединены с соответствующими входами блока автоматической подстройки частоты (АПЧ), выход которого через первый гетеродин соединен со вторым входом первого смесителе, выход первого фильтра соединен со вторым входом фазового детектора, а также последовательно соединенные третий гетеродин, третий смеситель и третий УПЧ, выход которого соединен со вторыми входами четвертого и пятого смесителей, кроме того, первый выход синхронизатора соединен через второй гетеродин со вторым входом второго смесителе, второй выход синхронизатора соединен с управляющими входами первого и третьего гетеродинов, третий выход синхронизатора соединен с первым входом генератора опорных сигналов, выход которого соединен со вторым входом блока корреляторов, третий вход которого соединен с четвертым выходом синхронизатора, вход которого соединен с выходом блока корреляторов, причем выход второго УПЧ соединен с входом фазовращателя, первые входы первого, второго и третьего смесителей соединены с антенной, введен блок автоматической подстройки длительности огибающей опорного сигнала. При этом выход второго УПЧ соединен с первым входом блока автоматической подстройки длительности огибающей опорного сигнала, второй вход которого соединен с выходом третьего УПЧ, выход блока автоматической подстройки длительности огибающей опорного сигнала соединен со вторым входом генератора опорного сигнала.

На фиг. 2 приведена функциональная схема предлагаемого устройства, где обозначено:
1, 11, 21, 14, 19 - первый, второй и третий, четвертый и пятый смесители;
2, 12, 22 - первый, второй и третий усилители промежуточной частоты (УПЧ);
3 - блок корреляторов;
4 - демодулятор;
5 - получатель информации;
6, 13, 17 - первый, второй и третий гетеродины;
7 - генератор опорных сигналов;
8 - синхронизатор;
9 - блок автоматической подстройки частоты (АПЧ);
10 - коммутатор;
15, 20 - первый и второй фильтры;
16 - фазовый детектор;
18 - фазовращатель;
23 - блок автоматической подстройки длительности огибающей опорного сигнала.

Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные первый смеситель 1, первый УПЧ 2, блок корреляторов 3, демодулятор 4, получатель информации 5. Последовательно соединенные второй смеситель 11, второй УПЧ 12, четвертый смеситель 14, первый фильтр 15 и коммутатор 10, а также последовательно соединенные фазовращатель 18, пятый смеситель 19, второй фильтр 20 и фазовый детектор 16, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора 10. Кроме того, последовательно соединенные третий гетеродин 17, третий смеситель 21 и третий УПЧ 22, выход которого соединен со вторыми входами четвертого 14 и пятого 19 смесителей, а также со вторым входом блока автоматической подстройки длительности огибающей опорного сигнала 23. Первый выход синхронизатора 8 соединен с входом второго гетеродина 13, выход которого соединен со вторым входом смесителе 11. Второй выход синхронизатора 8 соединен с управляющими входами первого 6 и третьего 17 гетеродинов. Третий выход синхронизатора 8 соединен с первым входом генератора опорных сигналов 7, выход которого соединен со вторым входом блока корреляторов 3, третий вход которого соединен с четвертым выходом синхронизатора 8, вход которого соединен с выходом блока корреляторов 3. Первый и второй выходы коммутатора 10 соединены с соответствующими входами блока АПЧ 9, выход которого соединен с входом первого гетеродина 6, выход которого соединен со вторым входом первого смесителя 1. Выход второго УПЧ 12 соединен с входом фазовращателя 18 и первым входом блока автоматической подстройки длительности огибающей опорного сигнала 23, выход которого соединен со вторым входом генератора опорных сигналов 7.

Выход первого фильтра 15 соединен со вторым входом фазового детектора 16. Первые входы первого 1, второго 11 и третьего 21 смесителей соединены с антенной.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Принятый сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) поступает одновременно на входы первого 1, второго 11 и третьего 21 смесителя, на вторые входы которых поступают сигналы с первого 6, второго 13 и третьего 17 гетеродинов соответственно. Причем частота второго гетеродина 13 равна
f_г2=f_с-f_пч,
а частота третьего 17 гетеродина равна
f_г2=f_с+f_пч,
где f_c - частота принимаемого сигнала;
f_пч - промежуточная частота, получаемая в процессе преобразования, выделяемая фильтрами УПЧ.

При наличии эффекта Доплера частота принимаемого сигнала будет равна f_c±f_д, где f_д - частота, обусловленная эффектом Доплера.

Тогда в процессе преобразования на выходах второго 11 и третьего 21 смесителей будем иметь соответственно
(f_c+f_д)-f_г2=f_пч
или
f_c-f_г2=f_пч-f_д.

Аналогично
f_г3-(f_c+f_д)=f_пч
или
f_г3-f_c=f_пч+f_д.

На выходах смесителей, естественно, будут и другие частотные комбинации, но в данном случае нас интересуют только эти.

Сигналы с частотами f_пч-f_д и f_пч+f_д усиливаются в усилителях промежуточной частоты 12 и 22 и выделяются фильтрами, имеющимися в данных УПЧ.

Для простоты рассуждении взят случай, когда частота принимаемого сигнала увеличивается за счет эффекта Доплера.

Сигналы с выходов второго 12 и третьего 22 УПЧ поступают на входы четвертого смесителя 14, на выходе которого стоит фильтр 15, настроенный на (f_пч+f_д)-(f_пч-f_д)=2f_д.

Сигнал с выхода УПЧ 12, кроме того, через фазовращатель на 90^о 18 поступает на первый вход смесителя 19, на второй вход которого подается сигнал с выхода УПЧ 22.

Фильтр 20, стоящий на выходе смесителя 19, также настроен на частоту 2f_д. Таким образом, на выходах фильтров 15 и 20 имеется сигнал одинаковой частоты, но сдвинут друг относительно друга на 90^о.

Следовательно, когда частота принимаемого сигнала увеличивается за счет эффекта Доплера, на выходе УПЧ 12 будет выделяться сигнал с частотой f_c-f_г2= f_пч-f_д, а на выходе УПЧ 22 - с частотой f_г3-f_c=f_пч+f_д, а когда частота принимаемого сигнала будет уменьшаться за счет эффекта Доплера, на выходе УПЧ 12 будет выделяться сигнал с частотой (f_c-f_д)-f_г2=f_пч+f_д, а на выходе УПЧ 22 - с частотой f_г3-(f_c-f_д)=f_пч-f_д.

Принятый ЛЧМ сигнал поступает на вход смесители 1 основного канала, на второй вход которого подается сигнал с гетеродина 6. На выходе смесителя 1 выделяется необходимая промежуточная частота. Сигнал промежуточной частоты с выхода смесителя 1 поступает на усилитель промежуточной частоты УПЧ 2, где усиливается до необходимой величины и затем подается на блок корреляторов 3. В блоке корреляторов 3, который состоит из перемножителей и интеграторов, производится оптимальная обработка этих сигналов, обеспечивающая высокую помехоустойчивость приема. На второй вход блока корреляторов 3 подается опорный сигнал с генератора 7 опорных сигналов в виде фМ ШПС. Сигнал с выхода блока корреляторов 3 поступает в синхронизатор и демодулятор 4.

Подавая сигнал с выходов УПЧ 12 и УПЧ 22 на смесители 14 и 19 соответственно, на выходах фильтров 15 и 20 всегда будет присутствовать сигнал с двойной частотой, обусловленной эффектом Доплера. Но так как в процессе преобразования в смесителях 14 и 19 выделяется всегда разностная частота двух промежуточных частот, то кроме абсолютной величины этой разностной частоты необходимо знать еще и знак этой разности. Для определения знака сигнала с выходов фильтров 15 и 20 подаются на входы фазового детектора 16, на выходе которого выделяется постоянное напряжение того или иного знака. Напряжение с выхода фазового детектора со знаком плюс или минус поступает на управляющий вход коммутатора 10, с помощью которого коммутируется сигнал с фильтра 15 на первый или второй вход блока АПЧ 9.

Блок АПЧ 9 своем составе содержит два управляющих элемента, один из которых настраивает частоту гетеродина 6 вниз, а второй - вверх, в зависимости от знака напряжения на выходе фазового детектора 16.

При приеме сигнала с ЛЧМ длительность огибающей на выходе блока корреляторов 3 будет меняться, что приводит к изменению ее амплитуды, а это в свою очередь влияет на помехоустойчивость принимаемого сигнала и качество его синхронизации. ("Известия вузов". Радиоэлектроника. 1986 г., т.29, 5, стр. 39-46).

Сигнал со второго 12 и третьего 22 УПЧ, кроме того, подается соответственно на первый и второй входы блока автоматической подстройки длительности огибающей опорного сигнала 23, который может быть выполнен в виде частотного детектора, на выходе которого при этом будет появляться сигнал постоянного напряжения, того или иного знака (плюс или минус), которое поступает на управляющий вход генератора опорного сигнала 7. Этот сигнал подается на варикап генератора тактовых импульсов, с помощью которого меняется тактовая частота итого генератора, а значит, и длительность огибающей опорного сигнала. Таким образом длительность огибающей опорного сигнала подстраивается под длительность принимаемого сигнала.

Синхронизатор 8 осуществляет поиск фМ сигнала по частоте, для чего перестраивает частоту гетеродина 6 и управляет работой генератора 7 опорных сигналов для поиска сигнала по времени. После окончания поиска и вхождения в синхронизм на выходе блока корреляторов 3 будет напряжение телефонного сообщения в виде ШИМ сигнала, который подается на вход демодулятора 4. С выхода демодулятора 4 информационный сигнал - телефонное сообщение - передается получателю информации 5. Синхронизатор 8 кроме указанных выше гетеродина 6 и генератора копий сигнала 7 синхронизирует работу блока корреляторов 3 и демодулятора 4.

Синхронизатор 8 может быть выполнен и виде генератора опорного сигнала, из которого с помощью генераторов формируются сигналы тактовых частот. Эти сигналы тактовых частот синхронизируют (тактируют) гетеродины 6, 13 и 17, генератор опорных сигналов 7 и коррелятор 3.

Таким образом предлагаемое устройство по сравнению с устройством прототипа автоматически подстраивает длительность огибающей сигнала генератора опорных сигналов, делая ее (длительность) одинаковой с длительностью огибающей принимаемого сигнала, тем самым улучшая качество синхронизма или повышая помехоустойчивость принимаемого сигнала.

Формула изобретения

Приемное устройство сигналов с линейной частотной модуляцией от движущегося передатчика, содержащее последовательно соединенные первый смеситель, первый усилитель промежуточной частоты (УПЧ), блок корреляторов, демодулятор и получатель информации, последовательно соединенные второй смеситель, второй УПЧ, четвертый смеситель, первый фильтр и коммутатор, последовательно соединенные фазовращатель, пятый смеситель, второй фильтр и фазовый детектор, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора, первый и второй выходы коммутатора соединены с соответствующими входами блока автоматической подстройки частоты (АПЧ), выход которого через первый гетеродин соединен со вторым входом первого смесителя, выход первого фильтра соединен со вторым входом фазового детектора, а также последовательно соединенные третий гетеродин, третий смеситель и третий УПЧ, выход которого соединен со вторыми входами четвертого и пятого смесителей, кроме того, первый выход синхронизатора через второй гетеродин соединен со вторым входом второго смесителя, второй выход синхронизатора соединен с управляющими входами первого и третьего гетеродинов, третий выход синхронизатора соединен с первым входом генератора опорных сигналов, выход которого соединен со вторым входом блока корреляторов, третий вход которого соединен с четвертым выходом синхронизатора, вход которого соединен с выходом блока корреляторов, при этом выход второго УПЧ соединен с входом фазовращателя, входы первого, второго и третьего смесителей соединены с антенной, отличающееся тем, что введен блок автоматической подстройки длительности огибающей опорного сигнала, первый вход которого подсоединен к выходу второго УПЧ, выход третьего УПЧ соединен со вторым входом блока автоматической подстройки длительности огибающей опорного сигнала, выход которого соединен со вторым входом генератора опорных сигналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2