Устройство для приема широкополосных сигналов на разнесенные антенны

 

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для приема информации по каналам связи с применением широкополосных сигналов. Достигаемый технический результат - повышение помехоустойчивости принимаемого широкополосного сигнала на разнесенные антенны. В предлагаемое устройство, содержащее генератор тактовых импульсов, сумматор, блок выбора максимума и номера канала, а также n каналов, каждый из которых содержит два узкополосных фильтра, с помощью которых вся полоса частот принимаемого сигнала делится на n парциальных каналов, подключенных к первой и второй антеннам, два амплитудных детектора с усредняющими фильтрами, три фазовращателя, сумматор, блок управления фазовращателями, счетчик, два электронных ключа, два пороговых блока, введены дешифратор, второй мультиплексор, делитель на два, а в каждый из n каналов введены фазоинвертор, третий амплитудный детектор, аналого-цифровой преобразователь, фазовый дискриминатор, мультиплексор. 3 ил.

Изобретение относится к области техники радиосвязи и может быть использовано для приема информации по каналам связи с применением широкополосных сигналов.

Известно устройство приема на разнесенные антенны (А.С. Немировский, Е. В. Рыжков. Системы связи и радиорелейные линии, М.: Связь, 1980г., стр. 309, рис. 9.11), содержащее первую и вторую антенны, первый и второй УВЧ, первый и второй смесители, фазовращатель, гетеродин, первый и второй УПЧ, формирователь АРУ, фазовый дискриминатор и сумматор.

Недостатком данного устройства является то, что при наличии на его входе одной или нескольких узкополосных помех ухудшается качество приема, а при достаточном их уровне наступает срыв связи.

Известно также устройство приема, на разнесенные антенны (Радиоприемные устройства. /Под ред. Зюко А.Г., М.: Связь, 1975г., рис. 15.13, стр. 388), содержащее первую и вторую антенны, фильтры, квадратичные детекторы, первый и второй сумматоры и вычислительное устройство.

Но данное устройство имеет низкую помехозащищенность, так как при наличии узкополосной помехи на его входе достаточной величины прием информации становится неэффективным.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является устройство обнаружения широкополосных сигналов при разнесенном приеме по а. с. RU 2031544 C1, H 04 B 7/04 от 20.03.95г., бюл. 8, взятое за прототип.

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства-прототипа, где введены следующие обозначении: 1, 2 - первая и вторая антенны; 3₁-3_n - первые узкополосные фильтры; 4₁-4_n - первые амплитудные детекторы с усредняющими фильтрами; 5₁-5_n - первые сумматоры; 6₁-6_n - вторые узкополосные фильтры; 7₁-7_n - первые фазовращатели; 8 - второй сумматор; 9₁-9_n - блоки управления фазовращателями; 10₁-10_n - счетчики;
11₁-11_n - первые электронные ключи;
12₁-12_n - компараторы;
13₁-13_n - формирователи прямоугольных импульсов;
14 - блок выбора минимума и номера канала;
15 - генератор тактовых импульсов;
16₁-16_n - вторые фазовращатели;
17₁-17_n - регулируемые усилители;
18₁-18_n - вторые электронные ключи;
19 - источник опорного напряжения;
20₁-20_n - пороговые блоки;
21₁-21_n - схемы сравнение;
22₁-22_n - вторые амплитудные детекторы с усредняющими фильтрами.

Устройство-прототип имеет следующие функциональные связи: первая антенна 1 присоединена к n первым каналам, каждый из которых содержит последовательно соединенные первый электронный ключ 11, счетчик 10, блок управления фазовращателями 9 и фазовращатель 7, второй вход которого через первый узкополосный фильтр 3 присоединен к антенне 1, а через первый амплитудный детектор 4 - ко входу компаратора 12, выход которого через формирователь прямоугольных импульсов 13 подключен к управляющему входу первого электронного ключа 11. Вторые входы компараторов 12 всех n каналов соединены между собой и с выходом блока выбора минимума и номера канала 14, а вторые входы первых электронных ключей 11 всех n каналов соединены между собой и с выходом генератора тактовых импульсов 15; выходы первых амплитудных детекторов 4 всех n каналов соединены соответственно каждый со своим входом блока выбора минимума и номера канала. 14.

Вторая антенна 2 присоединена к n вторым каналам, каждый из которых содержит последовательно соединенные второй узкополосный фильтр 6, первый сумматор 5, второй фазовращатель 16, регулируемый усилитель 17 и второй электронный ключ 18, выход второго фазовращателя 16, кроме того, через второй амплитудный детектор 22 соединен со входом порогового устройства 20, выход которого соединен с управляющим входом второго электронного ключа 18; вторые входы схем сравнения 21 всех n каналов соединены между собой и с выходом источника опорного напряжения 19; выходы вторых электронных ключей 18 соединены соответственно каждый со своим входом второго сумматора 8, выход которого является выходом устройства. Второй вход сумматора 5 соединен с выходом фазовращателя 7 соответствующего канала, а второй вход фазовращателя 16 соединен со вторым выходом блока управления 9. Выход второго амплитудного детектора 22, кроме того, соединен со вторым входом схемы сравнения 21.

Работает устройство-прототип следующим образом.

Принятый антенной 1 сигнал поступает одновременно на входы всех n первых каналов. С помощью первых узкополосных фильтров 3₁ - 3_n вся полоса частот принимаемого сигнала делится на n парциальных каналов с таким расчетом, чтобы в каждый парциальный канал попадало не более одной узкополосной помехи. Тогда ширина полосы частот, занимаемая принимаемым сигналом, определится как:
Δf=ΔF•n,
где n - число парциальных каналов;
ΔF - ширина полосы частот одного парциального канала.

С выхода фильтра 3 сигнал через первый фазовращатель 7 поступает на один из входов первого сумматора 5.

Сигнал, принятый второй антенной 2, поступает также на входы всех n вторых парциальных каналов и также с помощью вторых узкополосных фильтров 6₁-6_n вся полоса частот принимаемого сигнала делится на n парциальных каналов.

С выхода второго узкополосного фильтра 6 в каждом канале сигнал поступает на второй вход сумматора 5 и далее через второй фазовращатель 16, регулируемый усилитель 17 и второй электронный ключ 18 - на соответствующий вход второго сумматора 8, а с него - на выход устройства.

При наличии в каком-либо из парциальных каналов узкополосной помехи эта смесь сигнала и помехи с первого узкополосного фильтра 3 поступает на первый амплитудный детектор 4, где детектируется и усредняется усредняющим фильтром, входящим в состав детектора, и поступает на один из входов компаратора 12, на второй вход которого поступает опорное напряжение с выхода блока выбора минимума 14, которое формируется путем подачи на n его входов сигналов с выходов всех первых амплитудных детекторов 4. Блок выбора минимума 14 выбирает из всех n сигналов минимальный сигнал, который и подается в качестве опорного сигнала на входы компараторов 12₁-12_n. Выбор парциального канала с минимальной мощностью в качестве спорного канала для формирования опорного напряжения обусловлен практически достоверным предположением, что хотя бы один из всех парциальных каналов не поражен узкополосной помехой и это будет канал с минимальной мощностью (амплитудой). При работе с фазоманипулированным сигналом, огибающая которого имеет форму sinx/x, ширину полосы обычно берут 1,37/τ, где τ - длительность элемента посылки, и тогда с некоторым допущением можно принять, что амплитуда в этой полосе частот равномерна.

При определенном превышении этого опорного уровня в компараторе 12 в каком-либо из каналов фиксируется наличие в нем узкополосной помехи и тогда на выходе формирователя прямоугольных импульсов 13 данного канала появляется прямоугольный импульс, которым открывается первый электронный ключ 11 соответствующего канала, тем самым пропуская тактовые импульсы с генератора 15 на счетчик 10. Блок управления фазовращателем 9 из кода счетчика формирует управляющее напряжение, которое используется для поворота фазы с помощью первого фазовращателя 7. Вращение фазы сигнала производится до тех пор, пока прекратится превышение опорного напряжение в компараторе 12. В этом случае помехи, принятые антенной 1 и антенной 2, при суммировании в первом сумматоре 5 взаимно скомпенсировались, так как фазы их оказались повернутыми на 180^o (см. фиг.2).

С другого выхода блока управления 9 управляющее напряжение поступает на второй фазовращатель 16, которым компенсируется поворот фазы полезного сигнала, то есть если в первом фазовращателе 7 осуществлен поворот фазы принятого сигнала (и, конечно, помехи) на угол ϕ, то во втором фазовращателе 16 необходим поворот фазы на минус ϕ/2 (см. фиг.2). В результате этого принятый полезный сигнал на выходе сумматора будет "очищен" от помех и восстановлена его первоначальная фаза.

Выравнивание же амплитуд всех парциальных каналов, искажения которых появляются в результате компенсации помех, производится с помощью регулируемых усилителей 17.

На вход регулируемого усилителя 17 подается сигнал со второго фазовращателя 16, а на регулирующий вход поступает разностное напряжение того или иного знака с выхода схемы сравнения 21, на один из входов которой подается опорное напряжение от источника опорного напряжения 19, а на второй - с выхода второго амплитудного детектора 22 данного парциального канала. Таким образом, подавая на управляющий вход регулируемого усилителя 17 сигнал различной величины и знака, производится выравнивание амплитуд принимаемого сигнала во всех парциальных каналах.

Но данному устройству-прототипу присущ тот недостаток, что чем больше угол α между векторами С₁ (сигнал, принятый первой антенной) и С₂ (сигнал, принятый второй антенной, тем менее эффективное сложение этих сигналов на фиг.2 вектор С¹ значительно меньше вектора С.

Для устранения указанного недостатка в устройство, содержащее n каналов, подключенных ко второй антенне, при этом каждый из n каналов, присоединенных к первой антенне, содержит первый узкополосный фильтр, вход которого присоединен к первой антенне, а выход соединен со входом первого амплитудного детектора и с первым входом первого фазовращателя, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, второй вход которого присоединен к выходу второго узкополосного фильтра, причем выход первого сумматора соединен с первым входом второго фазовращателя, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления фазовращателями, второй вход которого соединен с выходом счетчика, вход которого соединен с выходом первого электронного ключа, первый вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов; каждый n каналов, подключенных ко второй антенне, содержит второй узкополосный фильтр, вход которого присоединен ко второй антенне, второй амплитудный детектор, второй электронный ключ, управляющий вход которого соединен с выходом первого порогового блока, и второй сумматор, отличающееся тем, что введены фазовый дискриминатор, первый вход которого соединен с выходом первого узкополосного фильтра, второй вход присоединен к выходу второго узкополосного фильтра, а выход фазового дискриминатора соединен с одним из n входов второго мультиплексора и первым входом первого мультиплексора, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления фазовращателями, третий вход первого мультиплексора соединен с выходом первого порогового блока, выход же первого мультиплексора соединен со вторым входом первого фазовращателя, выход которого через последовательно соединенные третий амплитудный детектор, аналого-цифровой преобразователь и далее шиной через фазоинвертор, блок выбора максимума, дешифратор и второй мультиплексор, выход которого присоединен ко входу делителя на "два", выход которого соединен со вторым входом второго электронного ключа, выход которого присоединен к первому входу третьего фазовращателя, второй вход которого подсоединен к выходу второго фазовращателя, первый вход которого через последовательно соединенные второй амплитудный детектор и второй пороговый блок соединен со вторым входом первого электронного ключа. Далее выход первого амплитудного детектора соединен со входом первого порогового блока и, кроме того, выход третьего фазовращателя соединен со входом второго сумматора, выход которого является выходом устройства.

На фиг. 3 приведена функциональная схема предлагаемого устройства, где введены следующие обозначения:
1, 2 - первая и вторая антенны;
3₁-3_n - первые узкополосные фильтры;
4₁-4_n - первые амплитудные детекторы с усредняющими фильтрами;
5₁-5_n - первые сумматоры;
6₁-6_n - вторые узкополосные фильтры;
7₁-7_n - первые фазовращатели;
8 - второй сумматор;
9₁-9_n - блоки управления фазовращателями;
10₁-10_n - счетчики;
11₁-11_n - первые электронные ключи;
12₁-12_n фазовые дискриминаторы;
13₁-13_n - первые мультиплексоры;
14 - блок выбора максимума и номера канала;
15 - генератор тактовых импульсов;
16₁-16_n - вторые фазовращатели;
17₁-17_n - вторые пороговые блоки;
18₁-18_n - вторые электронные ключи;
19₁-19_n - третьи фазовращатели;
20₁-20_n - первые пороговые блоки;
21₁-21_n - третьи амплитудные детекторы с усредняющими фильтрами;
22₁-22_n - вторые амплитудные детекторы с усредняющими фильтрами;
23₁-23_n - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
24₁-24_n - фазоинвертор;
25 - дешифратор номера канала с максимальным уровнем сигнала;
26 - а второй мультиплексор;
27 - делитель на "два".

Функциональные связи предлагаемого устройства состоят из n каналов, каждый из которых содержит первый узкополосный фильтр 3, выход которого соединен с одним из входов фазового дискриминатора 12, входом первого амплитудного детектора 4 и одним из входов первого фазовращателя 7, второй узкополосный фильтр 6, выход которого соединен со вторым входом фазового дискриминатора 12 и одним из входов первого сумматора 5. Выход фазового дискриминатора 12 соединен с соответствующим входом второго мультиплексора 26 и одним из входов первого мультиплексора 13, второй вход которого соединен с выходом первого порогового устройства 20 и одним из входов второго электронного ключа 18, вторые входы которых всех n каналов соединены между собой и с выходом делителя на два 27, выход первого амплитудного детектора 4 соединен со входом первого порогового устройства 20. Второй вход первого фазовращателя 7 соединен с выходом первого мультиплексора 13, третий вход которого присоединен к первому выходу блока управления фазовращателями 9, второй выход которого присоединен к одному из входов второго фазовращателя 16, второй вход которого соединен со входом второго амплитудного детектора 22 и выходом первого сумматора 5; вход блока управления фазовращателями 9 соединен с выходом счетчика 10, вход которого соединен с выходом первого электронного ключа 11, один из входов которого присоединен к выходу второго порогового блока 17, а вторые входы первых электронных ключей 11 всех n каналов соединены между собой и с выходом генератора тактовых импульсов 15. Выход второго амплитудного детектора 22 соединен со входом второго порогового блока 17. Выход первого фазовращателя 7 соединен со входом первого сумматора 5 и входом третьего амплитудного детектора 21, выход которого присоединен ко входу аналого-цифрового преобразователя 23, выход которого шиной соединен со входом фазоинвертора 24, выход которого шиной соединен с соответствующим входом блока выбора максимума и номера канала 14, выход которого шиной соединен со входом второго мультиплексора 26, выход которого соединен со входом делителя на два 27. Выход второго фазовращателя 16 соединен с одним из входов третьего фазовращателя 19, второй вход которого соединен с выходом второго электронного ключа 18, а выход третьего фазовращателя 19 каждого из n каналов соединен соответственно со своим входом второго сумматора 8, выход которого является выходом устройства. Входы первых узкополосных фильтров 3 всех n каналов соединены между собой и с первой антенной 1, а входы вторых узкополосных фильтров 6 всех n каналов соединены между собой и со второй антенной 2 соответственно.

Работает предлагаемое устройство следующим образом.

Сигнал, принятый первой антенной 1, поступает на n входов первых узкополосных фильтров 3₁-3_n, с помощью которых вся полоса частот принимаемого сигнала делится на n парциальных каналов с таким расчетом, чтобы в каждый из них при наличии узкополосных помех попадало не более одной узкополосной помехи.

Сигнал, принятый второй антенной 2, поступает на n входов вторых узкополосных фильтров 6₁-6_n и также с их помощью вся полоса частот принимаемого сигнала делится на n парциальных каналов.

Так как в предлагаемом устройстве приемные антенны пространственно разнесены, то в случае прихода луча принимаемого сигнала под углом к плоскости этих антенн (а это наиболее вероятный случай) наблюдается расфазировка принятых сигналов одной антенны относительно другой из-за разности хода луча. Если в данном парциальном канале отсутствует узкополосная помеха, то на выходе фазового дискриминатора 12 за счет разности фаз сигналов, принятых соответственно на первую и вторую антенны, образуется сигнал автоматической подстройки фазы, который через первый мультиплексор 13 подается на управляющий вход первого фазовращателя 7 и тем самым в первом сумматоре 5 производится синфазное сложение сигналов (см. фиг.2: С₁ - сигнал, принятый первой антенной, С₂ - сигнал принятый второй антенной).

При наличии на входе какого-либо из n парциальных каналов узкополосной помехи, превышающей уровень полезного сигнала, на выходе пороговых устройств 20 и 17 появится сигнал (для простоты схемы в состав пороговых устройств 20 и 17 входят формирователи прямоугольных импульсов), с помощью которых открываются электронные ключи 11 и 18, а первый мультиплексор 13 на управляющий вход первого фазовращателя 7 подает сигнал управления с блока управления 9.

Тактовые импульсы с генератора 15 через открытый электронный ключ 11 поступают на счетчик 10, с выхода которого кодовая комбинация поступает на блок управления 9, который своим выходным сигналом через первый мультиплексор 13 управляет первым фазовращателем 7. Поворот фазы сигнала с помощью первого фазовращателя 7 производится до тех пор, пока на выходе второго порогового устройства 17 наблюдается сигнал. Как только на выходе этого порогового устройства пропадет сигнал, закроется первый электронный ключ 11 и прекратится поступление тактовых импульсов на счетчик 10, а первый фазовращатель 7 повернет фазу сигнала (и помехи) на такой угол , при котором помеха П₁, принятая первой антенной, будет в противофазе с помехой П₂, принятой второй антенной. Сигнал С₁ также повернется на тот же угол ϕ₂ и будет С₁ ¹ (см. фиг.2).

Компенсация помехи производится в первом сумматоре 5, где производится и векторное сложение сигналов С₁ и С₂.

В результате на выходе этого сумматора будет суммарный сигнал данного парциального канала.

Вектор C_Σ - суммарный вектор сигналов С₁, принятого первой антенной, и С₂, принятого второй антенной до поворота сигнала C₁ на угол ϕ. Для совмещения вектора с вектором C_Σ необходимо вектор повернуть на угол в обратную сторону (см. фиг.2).

Для поворота указанного вектора на угол ϕ₂/2 со второго выхода блока управления 9 подается управляющее напряжение на управляющий вход второго фазовращателя 16, который и осуществляет поворот фазы сигнала на угол ϕ₂/2.

Сигнал с выхода первого фазовращателя 7 детектируется третьим амплитудным детектором 21 и огибающая сигнала подается на АЦП 23, где из аналогового превращается в цифровой и параллельным кодом подается на фазоинвертор 24, где инвертируется и параллельным кодом поступает на свои входы блока выбора максимума и номера канала 14 с максимальным сигналом. Канал с максимальным значением (на самом деле это канал с минимальным сигналом, так как применено инвертирование) подается на выход блока выбора максимума 14, с выхода которого поступает сигнал в виде параллельного кода, определяющий номер канала с минимальным сигналом, который через дешифратор 25 подается на управляющий вход второго мультиплексора 26 номера канала с максимальным сигналом 14. На входы этого мультиплексора подаются сигналы с выходов фазовых дискриминаторов 12 всех парциальных каналов и кодом управления, подаваемого с дешифратора 25 на вход второго мультиплексора 26, коммутируется сигнал с выхода фазового дискриминатора 12 того канала, в котором отсутствует помеха и который затем делится пополам в делителе 27 и подается на управляющие входы третьих фазовращателей 19 тех каналов, в которых присутствует помеха (так как вторые электронные ключи 18 открыты только в тех каналах, в которых присутствует помеха), с помощью которых и производится поворот фазы сигнала на угол ϕ₁/2, что позволяет получить синфазность сигналов во всех парциальных каналах.

Таким образом, синфазное сложение сигналов, принятых на разнесенные антенны в каналах, где отсутствуют помехи, а в тех каналах, где присутствуют узкополосные помехи, производится взаимокомпенсация этих помех и последующее фазирование сигнала во всех парциальных каналах, позволяет повысить помехоустойчивость принимаемого сигнала, что является новизной и положительным эффектом предлагаемого устройства.

Реализация блока управления фазовращателями 9 может быть осуществлена (см. Б.И. Горошков "Элементы радиоэлектронных устройств". М.: Р и С, 1988г., стр. 172, рис. 13.49). При этом первым выходом является верхний (по схеме) выход резистора Р7 (выход AЦП), второй же выход этого резистора служит вторым выходом блока управления.

Реализация фазовращателей может быть осуществлена как, например, тематический выпуск ТИЭР "Антенные решетки с электрическим сканированием", т.56, 11, 1968г., стр. 179, рис. 23.

Пример реализации блока выбора максимума приведен в Б.В. Шевкопляс "Микропроцессорные структуры". М.: Р и С, 1990г., стр. 492, рис. 8.23. При этом сигналы на дешифратор 25 берутся с выходов u, v, ω. Пример приведен для трех каналов. При большем числе каналов построение этого блока аналогично.

Дешифратор 25 выходной код блока выбора максимума преобразует в двоичный код, который может быть выполнен на ПЛМ К712РВ1.

Реализация остальных блоков и узлов не вызывает затруднений, так как общеизвестны и широко освещены в технической литературе.

Формула изобретения

Устройство для приема широкополосных сигналов на разнесенные антенны, содержащее генератор тактовых импульсов, второй сумматор, блок выбора максимума и номера канала, а также n каналов, каждый из которых содержит первый и второй узкополосные фильтры, с помощью которых вся полоса частот принимаемого сигнала делится на n-парциальных каналов, причем первый узкополосный фильтр подключен к первой антенне, а второй узкополосный фильтр подключен ко второй антенне, выход первого узкополосного фильтра соединен с входами первого амплитудного детектора и первого фазовращателя, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, выход которого соединен со входом второго амплитудного детектора и первым входом второго фазовращателя, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления фазовращателями, вход которого соединен с выходом счетчика, вход которого соединен с выходом первого электронного ключа, выход второго узкополосного фильтра соединен со вторым входом первого сумматора, а также второй электронный ключ, управляющий вход которого соединен с выходом первого порогового блока, при этом первые входы первых электронных ключей всех каналов соединены с выходом генератора тактовых импульсов, отличающееся тем, что в устройство введены последовательно соединенные шиной фазоинвертор, блок выбора максимума и номера канала, дешифратор и второй мультиплексор, выход которого соединен с входом делителя на два, выход которого соединен со вторыми входами вторых электронных ключей всех n каналов, а также в каждый из n каналов введены последовательно соединенные третий амплитудный детектор, аналого-цифровой преобразователь и далее шиной с фазоинвертором, кроме того, фазовый дискриминатор, первый вход которого соединен с выходом первого узкополосного фильтра, а выход фазового дискриминатора соединен с первым входом первого мультиплексора и соответствующим входом второго мультиплексора, второй вход первого мультиплексора соединен со вторым выходом блока управления фазовращателями, выход первого мультиплексора соединен со вторым входом первого фазовращателя, выход которого соединен с входом третьего амплитудного детектора, выход второго электронного ключа соединен со вторым входом третьего фазовращателя, выход которого соединен с соответствующим входом второго сумматора, а вход третьего фазовращателя соединен с выходом второго фазовращателя, при этом выход второго узкополосного фильтра соединен со вторым входом фазового дискриминатора, выход первого амплитудного детектора соединен с входом первого порогового блока, выход которого соединен с третьим входом первого мультиплексора, причем выход второго амплитудного детектора через второй пороговый блок соединен со вторым входом первого электронного ключа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3