Аналого-цифровой модуль

 

Изобретение относится к области цифровой пространственно-временной обработки сигналов в радиотехнических устройствах и может быть использовано в цифровых антенных решетках. Технический результат заключается в повышении отношения сигнал-шум при обработке широкополосных сигналов. Он достигается тем, что аналого-цифровой модуль содержит малошумящий усилитель (МШУ), смеситель, усилитель промежуточной частоты (УПЧ), фильтр спектральных составляющих, группу из m фильтров деления, где m - количество участков спектра, на которые разделен спектр широкополосного сигнала, группу из m делителей, постоянный фазовращатель на 90^o, два блока управляемых фазовращателей, две группы синхронных фазовых детекторов (СФД), каждая из которых содержит m детекторов, две группы АЦП, по m элементов в каждой, и два цифровых сумматора. 2 ил.

Изобретение относится к области цифровой пространственно-временной обработки сигналов в радиотехнических устройствах и может быть использовано в цифровых антенных решетках.

Известен аналого-цифровой модуль [1 рис. 22.5, б], содержащий малошумящий усилитель (МШУ), смеситель, усилитель промежуточной частоты (УПЧ), фильтр. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и коммутатор, вход которого соединен с выходом АЦП, первый вход которого соединен с входом сигнала синхронизации модуля, а второй вход - с выходом фильтра, вход которого соединен с выходом смесителя, первый вход которого соединен с входом сигнала первого гетеродина, а второй - с выходом МШУ, вход которого соединен с входом излучателя модуля, выходы которого соединены с соответствующими выходами коммутатора.

Недостатком данного модуля является невозможность обработки широкополосных сигналов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является аналого-цифровой модуль [1, рис. 22.5, а], содержащий два АЦП, два синхронно фазовых детектора (СФД), делитель, постоянный фазовращатель на 90^o, фильтр, УПЧ, смеситель, МШУ, вход которого соединен с входом излучателя модуля, а выход - с первым входом смесителя, второй вход которого соединен с входом первого гетеродина модуля, выход смесителя соединен с входом УПЧ, выход которого соединен с входом фильтра, выход которого соединен с входом делителя, первый выход которого соединен с первым входом первого СФД, выход которого соединен с первым входом первого АЦП, выход которого соединен с первым выходом модуля, второй выход которого соединен с выходом второго АЦП, первый вход которого соединен с выходом второго СФД, первый вход которого соединен с вторым выходом делителя, вторые входы обоих АЦП объединены и соединены с входом порогового сигнала модуля, вход второго гетеродина которого соединен с вторым входом первого СФД и входом постоянного фазовращателя на 90^o, выход которого соединен с вторым входом второго СФД.

Недостатком данного аналого-цифрового модуля является низкое отношение сигнал - шум при обработке широкополосных сигналов.

Целью изобретения является повышение отношения сигнал - шум при обработке широкополосных сигналов.

Поставленная цель достигается тем, что в аналого-цифровой модуль, содержащий два АЦП, два СФД, делитель, постоянный фазовращатель на 90^o, фильтр спектральных составляющих, УПЧ, смеситель и МШУ, вход которого соединен с входом излучателя модуля, а выход - с первым входом смесителя, второй вход которого соединен с входом первого гетеродина модуля, выход смесителя соединен с входом УПЧ, выход которого соединен с входом фильтра спектральных составляющих, вход постоянного фазовращателя на 90^o соединен с входом второго гетеродина модуля, введены два цифровых сумматора, две группы АЦП по (m-1) АЦП в каждой группе, где m - количество участков спектра, на которое разделен спектр широкополосного сигнала, две группы СФД по (m-1) детекторов в каждой, два блока, управляемых фазовращателей, (m-1) делителей и m фильтров деления, входы которых объединены и соединены с выходом фильтра спектральных составляющих, выход i-го фильтра деления соединен с входом i-го делителя, первый выход i-го делителя соединен с вторым входом i-го СФД первой группы, выход которого соединен с вторым входом i-го АЦП первой группы, выход которого соединен с i-м входом первого цифрового сумматора, выход которого соединен с первым выходом модуля, второй выход которого соединен с выходом второго цифрового сумматора, i-й вход которого соединен с выходом i-го АЦП второй группы, второй вход которого соединен с выходом i-го СФД второй группы, второй вход которого соединен с вторым выходом i-го делителя, первый вход i-го СФД первой группы соединен с i-м выходом первого блока управляемых фазовращателей, вход которого соединен с выходом постоянного фазовращателя на 90^o, вход которого соединен с входом второго блока управляемых фазовращателей, i-й выход которого соединен с первым входом i-го СФД второй группы, первые входы всех АЦП обеих групп объединены и соединены с входом порогового сигнала модуля, причем каждый блок управляемых фазовращателей содержит m управляемых фазовращателей, выход i-го управляемого фазовращателя соединен с i-м выходом блока, вход которого соединен с объединенными входами всех управляемых фазовращателей.

Введение указанных элементов и соответствующих связей позволяет повысить отношение сигнал-шум при обработке широкополосных сигналов. В других известных технических решениях отсутствуют подобные признаки в их общей совокупности.

На фиг. 1 представлена схема аналого-цифрового модуля, на фиг. 2 - схема блока управляемых фазовращателей. Аналого-цифровой модуль содержит МШУ 1, смеситель 2, УПЧ 3, фильтр 4 спектральных составляющих, группу 5 из m фильтров деления, группу 6 из m делителей, постоянный фазовращатель 7 на 90^o, два бока 8 и 9 управляемых фазовращателей, две группы 10 и 11 СФД, состоящих из m детекторов каждая, две группы 12 и 13 АЦП, состоящих из m АЦП каждая и два цифровых сумматора 14 и 15. Каждый блок управляемых фазовращателей содержит m управляемых фазовращателей 16. Вход МШУ 1 соединен с входом излучателя модуля, а выход - с первым входом смесителя 2, второй вход которого соединен с входом первого гетеродина модуля, выход смесителя 2 соединен с входом УПЧ 3, выход которого соединен с входом фильтра 4 спектральных составляющих, вход постоянного фазовращателя 7 на 90^o соединен с входом второго гетеродина модуля, входы всех m фильтров 5 деления объединены и соединены с выходом фильтра 4 спектральных составляющих, выход i-го фильтра 5_i деления соединен с входом i-го делителя 6_i, первый выход которого соединен с вторым входом i-го СФД 10_i первой группы, выход которого соединен с вторым входом i-го АЦП 12_i первой группы, выход которого соединен с i-м входом первого цифрового сумматора 14, выход которого соединен с первым выходом модуля, второй выход которого соединен с выходом второго цифрового сумматора 15, i-й вход которого соединен с выходом i-го АЦП 13_i второй группы, второй вход которого соединен с выходом i-го СФД 11_i второй группы, второй вход которого соединен с вторым выходом i-го делителя 6_i, первый вход i-го СФД 10_i первой группы соединен с i-м выходом первого блока 8 управляемых фазовращателей, вход которого соединен с выходом постоянного фазовращателя 7 на 90^o, вход которого соединен с входом второго блока 9 управляемых фазовращателей, i-й выход которого соединен с первым входом i-го СФД 11_i второй группы, первые входы всех АЦП 12 и 13 обеих групп объединены и соединены с входом порогового сигнала модуля, причем, каждый блок 8 (9) управляемых фазовращателей содержит m управляемых фазовращателей 16, выход i-го управляемого фазовращателя 16 соединен с i-м выходом блока 8 (9), вход которого соединен с объединенными входами всех управляемых фазовращателей 16.

Аналого-цифровой модуль работает следующим образом. Цифровая антенная решетка состоит из трех частей [2, стр. 452], выполняющих различные функции: решетки излучателей, обеспечивающей прием высокочастотных сигналов из части пространства, ограниченной диаграммой направленности излучателя; набора аналого-цифровых модулей, преобразующих принятые высокочастотные сигналы в цифровой код, и системы формирования диаграмм направленности. Решетка излучателей по своему построению является дискретной системой, поэтому возбуждаемые в излучателях колебания являются дискретными выборками пространственной волны. Каждое колебание, попадая в аналого-цифровой модуль своего канала, представленный на фиг. 1, подвергается временной дискретизации и преобразуется в последовательность временных выборок.

Колебания выхода излучателя своего канала подаются на вход МШУ 1, который повышает уровень сигнала до величины, достаточной для его дискретизации. Сигнал с выхода МШУ 1 поступает на первый вход смесителя, который преобразует сигнал на промежуточную частоту, достаточную для его оцифровки. Затем сигнал усиливается в УПЧ 3 и с помощью фильтра 4 спектральных составляющих очищается от дополнительных спектральных составляющих, возникающих при преобразовании частоты. С выхода фильтра 4 спектральных составляющих сигнал можно бы подавать для дискретизации и сложения его от каждого излучателя. Для узкополосного сигнала временной сдвиг τ_зап между наиболее удаленными излучателями значительно меньше величины обратной ширине спектра поэтому сигналы можно принимать и складывать когерентно с любого направления в пределах сектора обзора цифровой антенной решетки.

При приеме широкополосного сигнала за счет различного набега фаз Δϕ_i Δϕ_i= 2π(f_o+Δf_i)τ_{зап i} (2) неодинаковых спектральных составляющих участки спектра принимаемого сигнала не будут складываться когерентно. Следовательно, отношение сигнал-шум на выходе системы уменьшается.

Поэтому для увеличения отношения сигнал-шум спектр широкополосного сигнала делится на m участков где Δf_cʹi - участок ширины спектра широкополосного сигнала, для которого выполняется условие (1) узкополосности.

Деление спектра Δf_c широкополосного сигнала на участки Δf_cʹi производится с помощью m фильтров 5 деления, полоса пропускания каждого из которых определяется условием (1) узкополосности. Для избежания эффекта, когда амплитуды выборок будут малы, сигнал делят на две квадратурные составляющие - синусную и косинусную, связанные с исходным сигналом соотношением Acos(ωt+ϕ) = Bcosωt+Csinωt,
где B = cosϕ ; C = sinϕ ,
а затем оцифровывают амплитуды каждой из этих составляющих. Причем при обработке широкополосных сигналов деление на квадратурные составляющие производится для каждого участка разделенного спектра.

Разделение на две квадратуры, определяющие амплитуду и фазу колебания, осуществляется СФД 10 и 11, на вторые входы которых сигнал поступает с выходов соответствующих делителей 6. На первые входы СФД 10 и 11 подводятся сигналы второго гетеродина, имеющего частоту, равную частоте основного сигнала, сдвинутые с помощью постоянного фазовращателя 7 на 90^o относительно друг друга по фазе на 90^o. Кроме того, с помощью блоков 8 (9) управляемых фазовращателей фаза сигнала второго гетеродина на каждом выходе каждого блока 8 (9) изменяется на величину Δf_cʹi , зависящую от положения фронта входного сигнала и номера участка спектра, т.е. фаза сигнала второго гетеродина подстраивается на каждый участок спектра широкополосного сигнала и компенсирует набег фаз.

С выхода СФД 10 и 11 разделенный на амплитуду и фазу принимаемый сигнал поступает на соответствующую группу АЦП 12 и 13, где производится его оцифровывание. Причем, оцифровывание осуществляется раздельно для участка Δf_cʹi спектра широкополосного сигнала. Цифровой код с выходов соответствующих АЦП 12 и 13 поступает на соответствующие входы соответствующих цифровых сумматоров 14 и 15, где производится суммирование цифровых кодов каждого участка спектра. В результате с выхода аналого-цифрового модуля выдается цифровой код амплитуды и фазы принимаемого широкополосного сигнала.

При приеме и обработке узкополосного сигнала Δf_i→ 0 , выражение (2) будет равно
Δf_i= 2πf_oτ_запi
и одинаково для всех излучателей, а количество участков m из уравнения (3) будет равно одному, так как f_cʹi= Δf_c. Аналого-цифровой модуль будет обрабатывать только один участок спектра как весь спектр узкополосного сигнала.

Таким образом, предлагаемый аналого-цифровой модуль может принимать и обрабатывать как узкополосные, так и широкополосные сигналы, а введенные новые элементы позволяют повысить отношение сигнал-шум на выходе модуля при обработке широкополосного сигнала за счет разделения спектра широкополосного сигнала на участки, удовлетворяющие условию узкополосности и когерентного сложения сигналов от каждого направления.

Литература
1. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток: Учебное пособие для вузов /В.С. Филиппов, Л.И. Пономарев, А.Ю. Гринев и др.; Под ред. Д.И. Воскресенского. - 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Радио и связь, 1994. - 592 с.

Формула изобретения

Аналого-цифровой модуль, содержащий два аналого-цифровых преобразователя (АЦП), два синхронных фазовых детектора (СФД), делитель, постоянный фазовращатель на 90^o, фильтр спектральных составляющих, усилитель промежуточной частоты (УПЧ), смеситель и входной малошумящий усилитель (МШУ), вход которого соединен с входом излучателя модуля, а выход - с первым входом смесителя, второй вход которого соединен с входом первого гетеродина модуля, выход смесителя соединен с входом УПЧ, выход которого соединен с входом фильтра спектральных составляющих, вход постоянного фазовращателя на 90^o соединен с входом второго гетеродина модуля, отличающийся тем, что в него введены два цифровых сумматора, две группы АЦП по (m - 1) АЦП в каждой группе, где m - количество участков спектра, на которые разделен спектр широкополосного сигнала, две группы СФД по (m - 1) детекторов в каждой группе, два блока управляемых фазовращателей, (m - 1) делителей и m фильтров деления, входы которых объединены и соединены с выходом фильтра спектральных составляющих, выход i-го фильтра деления соединен с входом i-го делителя, первый выход которого соединен с вторым входом i-го СФД первой группы, выход которого соединен с вторым входом i-го АЦП первой группы, выход которого соединен с i-ым входом первого цифрового сумматора, выход которого соединен с первым выходом модуля, второй выход которого соединен с выходом второго цифрового сумматора, i-й вход которого соединен с выходом i-го АЦП второй группы, второй вход которого соединен с выходом i-го СФД второй группы, второй вход которого соединен с вторым выходом i-го делителя, первый вход i-го СФД первой группы соединен с i-ым выходом первого блока управляемых фазовращателей, вход которого соединен с выходом постоянного фазовращателя на 90^o, вход которого соединен с входом второго блока управляемых фазовращателей, i-й выход которого соединен с первым входом i-го СФД второй группы, первые входы всех АЦП обеих групп объединены и соединены с входом порогового сигнала модуля, причем каждый блок управляемых фазовращателей содержит m управляемых фазовращателей, выход i-го управляемого фазовращателя соединен с i-ым выходом блока, вход которого соединен с объединенными входами всех управляемых фазовращателей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2