Устройство гибкого широкополосного преобразования частоты и соответствующий приемник телеуправления спутника
Изобретение относится к радиоприемникам и может использоваться в телеуправлении спутником. Достигаемый технический результат - подавление запрещенных полос в синтезаторах частот при их использовании в устройствах преобразования частоты. Устройство двойного преобразования частоты содержит цепь усиления и фильтрации, два смесителя, два синтезатора частот, средства управления частотами FOL1, FOL2 первого и второго синтезаторов частоты для получения требуемых соотношений их частот для получения заданных первой и второй промежуточных частот. Приемник телеуправления для геостационарного спутника содержит средства для демодуляции сигнала на заданной промежуточной частоте, формируемой устройством двойного преобразования частоты. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.
Настоящее изобретение относится к устройству двойного преобразования частоты для радиоприемника, в частности для приемника телеуправления спутника, а также к приемнику телеуправления спутника, содержащему такое устройство.
Приемник телеуправления спутника находится на борту геостационарного спутника или перемещается и осуществляет связь телеуправления и измеряет расстояние от станций до земли, и указанный спутник известен под названием TTC-связь, от английского "Telemetry, Tracking and Command" (телеметрия, слежение и управление).
Известные решения моделей TTC-приемников используют локальный генератор частоты, выдающий чаще всего одну фиксированную частоту или ограниченное число частот. Изменением частоты локального генератора или генераторов получают гибкость частоты приема приемника. Эту частоту можно сделать программируемой и управляемой на расстоянии путем использования локального генератора с синтезом частоты, которая может быть целочисленной или дробной.
Применение известного синтезатора дробного типа сочетает преимущества покрытия очень широкой полосы частот, обеспечивая одновременно очень малый шаг выбора частоты. Эта возможность перестройки частоты TTC-приемника позволяет, например, координировать частоты нескольких спутников при изменении орбитального положения или избежать использования определенных пораженных помехами частот.
Один из основных недостатков использования дробного синтезатора в структурах TTC-приемника вытекает из ухудшения характеристик для определенных заранее заданных полос частот.
Целью настоящего изобретения является, в частности, разрешить проблему ограничений известных дробных синтезаторов, подавляя запрещенные полосы частот, свойственные таким устройствам. Решение, предлагаемое изобретением, состоит в использовании гибкости по частоте второго локального генератора синтеза частот, который содержит приемник согласно изобретению. Благодаря надлежащему и одновременному управлению двумя локальными генераторами можно избежать запрещенных полос частот в дробном синтезаторе, чтобы приемник мог покрывать очень широкую полосу частот без дискретности.
С этой целью объектом изобретения является устройство двойного преобразования частоты, содержащее по меньшей мере первую цепь усиления и фильтрации, принимающую сигнал на первой частоте FRF, первый смеситель частот, осуществляющий первое преобразование частоты упомянутого сигнала в первую промежуточную частоту FFI1 и выдающий упомянутый преобразованный сигнал на вход второй цепи усиления и фильтрации, причем второй смеситель частот реализует второе преобразование во вторую промежуточную частоту FFI2 сигнала, выдаваемого упомянутой второй цепью, и выдает упомянутый преобразованный сигнал на вход третьей цепи усиления и фильтрации, первый дробный синтезатор частоты с полосой петли B, способный производить первую синтезированную частоту FOL1 на вход упомянутого первого смесителя, и второй целочисленный или дробный синтезатор частоты, способный производить вторую синтезированную частоту FOL2 на входе упомянутого второго смесителя, отличающееся тем, что оно содержит, кроме того, средства управления частотами FOL1, FOL2 упомянутых первого и второго синтезаторов, способные выполнять следующие этапы:
- Инициализация частоты FOL2 на первое заданное значение FOL2,A;
- Для заданной пары частот (FRF, FFI2), определение частоты FOL1 с помощью следующих соотношений:
Если FRF>FOL1 и FFI1<FOL2, FRF=FOL1+FOL2-FFI2 (5),
Если FRF>FOL1 и FFI1>FOL2, FRF=FOL1+FOL2+FFI2 (6),
Если FRF<FOL1 и FFI1>FOL2, FRF=FOL1-FOL2-FFI2 (7),
Если FRF<FOL1 и FFI1<FOL2, FRF=FOL1-FOL2+FFI2 (8);
- Если полученное значение FOL1 находится в диапазоне частот с нижней границей A.FREF-B.X и с верхней границей A.FREF+B.X, где A есть строго положительное целое число, и X является заданным параметром, изменение частоты FOL2 на второе значение FOL2,B, определяемое таким образом, чтобы абсолютное значение разности между FOL2,A и FOL2,B удовлетворяло следующим условиям:
|FOL2,B-FOL2,A|>AFREF+2B.X
|FOL2,B-FOL2,A|<AFREF-2B.X;
- Передача значений частоты FOL1 и FOL2 указанным синтезаторам частоты.
В одном варианте осуществления изобретения указанные средства управления частотами FOL1, FOL2 выполнены с возможностью сначала выполнить для совокупности заданных пар частот FRF, FFI2 упомянутые расчетные этапы, позволяющие определить связанные значения частот FOL1, FOL2 указанных синтезаторов частоты, и записать совокупность полученных частот FRF, FFI2, FOL1, FOL2 в запоминающее устройство, которое они содержат.
В другом варианте осуществления изобретения указанные средства управления частотами FOL1, FOL2 реализованы интегральной схемой типа ASIC или FPGA, содержащей по меньшей мере одно запоминающее устройство.
Объектом изобретения является также приемник телеуправления для геостационарного спутника, содержащий по меньшей мере средства демодуляции сигнала промежуточной частоты FFI2 и устройство двойного преобразования согласно изобретению, принимающее сигнал с частотой FRF и выдающее упомянутый преобразованный сигнал на промежуточной частоте FFI2.
Другие характеристики выявятся при изучении нижеследующего подробного описания, данного в качестве примера, но не ограничения, которое приводится в сочетании с приложенными чертежами, на которых показано:
фиг.1: блок-схема структуры приемника телеуправления TTC-спутника, согласно уровню техники,
фиг.2: блок-схема локального генератора с дробным синтезатором, согласно уровню техники,
фиг.3: таблица числового отображения, иллюстрирующая соотношение между частотой FOL1 и паразитными частотами, наведенными в результате применения дробного синтезатора,
фиг.4: пример полос частот, не применимых для дробного синтезатора,
фиг.5: блок-схема структуры приемника телеуправления TTC-спутника, согласно изобретению,
фиг.6: таблица числового отображения, иллюстрирующая определение частот FOL1 и FOL2.
Фиг.1 описывает структуру TTC-приемника 10, отвечающего уровню техники. Она включает в себя по меньшей мере одну цепь усиления 101 радиочастот, принимающую сигнал на частоте FRF, первый смеситель 102 частот, который осуществляет первое преобразование частоты сигнала, выдаваемого цепью усиления 101 на первую цепь усиления 103 на промежуточной частоте FI1, и второй смеситель 104 частот, осуществляющий второе преобразование частоты сигнала, выдаваемого цепью усиления 103 на промежуточной частоте, на вторую цепь усиления 105 с промежуточной частотой FI2. Цепи усиления 101,103,105 по существу образуют средства фильтрации и/или усиления сигналов, которые они принимают на входе.
TTC-приемник 10 содержит также первый локальный дробный генератор 106 с синтезом частоты, генерирующий частоту, и второй целочисленный или дробный генератор 107 с синтезом частоты, которые оба выполнены с возможностью генерировать синтезированные частоты FOL1,FOL2, необходимые для двух последовательных преобразований. Двойное преобразование частоты, реализуемое двумя локальными генераторами 106,107, необходимо, чтобы перейти от повышенной частоты FRF на входе приемника к более низкой частоте FI2 на входе средств демодуляции 108 сигнала.
Частота FI1 получена преобразованием частоты FRF частотой FOL1. Соотношение, связывающее их, имеет вид:
FFI1=FRF-FOL1, если FRF>FOL1, (1)
или
FFI1=FOL1-FRF, если FRF<FOL1. (2)
Частота FI2 получена преобразованием частоты FI1 частотой FOL2. Связывающее их соотношение имеет вид:
FFI2=FFI1-FOL2, если FFI1>FOL2, (3)
или
FFI2=FOL2-FFI1, если FFI1<FOL2. (4)
В целях упрощения дальнейшее описание базируется на соотношениях (1) и (4), но, разумеется, изобретение применимо равным образом и при использовании соотношений (2) и (3).
Таким образом, комбинируя соотношения (1) и (4), получают выражение FRF=FOL1+FOL2-FFI2 (5).
Средства демодуляции 108 функционируют с входным сигналом фиксированной частоты, таким образом, частота FFI2 является постоянной, установленной спецификациями системы.
Приемник работает на широкой полосе частот: FRF,мин<FRF<FRF,макс.
Фиг.2 показывает в виде схемы структуру локального дробного генератора с синтезом, отвечающего уровню техники.
Локальный дробный генератор 196 с синтезом содержит по меньшей мере следующие элементы. Кварцевый генератор 201 выдает фиксированную опорную частоту FREF, возможно предварительно деленную 206 на коэффициент P, на компаратор 202. Дробный делитель 203 осуществляет деление частоты в отношении N+K/M, где N и K есть программируемые параметры, а M является дробным коэффициентом синтезатора 106 (0<K<M). Компаратор 202 обеспечивает равенство частоты FREF и частоты FOL1/(N+K/M), чтобы установить следующее соотношение FOL1=FREF×(N+K/M). Локальный дробный генератор с синтезом содержит, кроме того, петлевой фильтр 205, функцией которого является фильтрация фазового шума и возможных паразитных линий, и регулируемый по напряжению генератор 204.
Фиг.3 иллюстрирует пример численного отображения для генерации частоты FOL1, заключенной между 3000 и 4000 МГц, на основе опорной частоты FREF 50 МГц и параметра M=100000. В этом примере N составляет между 60 и 80, K между 0 и 99999. Шаг частоты в локальном генераторе составляет 500 Гц. N и K являются двумя управляющими параметрами локального генератора.
Структура дробного синтезатора согласно уровню техники, какая описана на фиг.1, имеет некоторые ограничения. Из-за взаимодействия между частотой FOL1 и частотой сравнения FREF существует известное явление образования паразитных линий, которые ухудшают спектральную чистоту сигнала, генерируемого дробным синтезатором. Эти паразитные линии образуются с обеих сторон частоты FOL1 на расстоянии по частоте, равном ΔF=±|FOL1-(A.FREF)|, где (A.FREF) равно значению, кратному FREF ближайшему к FOL1, причем A есть положительное целое число, и || означает абсолютное значение числа.
Последняя колонка таблицы на фиг.3 указывает частоты паразитных линий, наблюдаемые для разных значений частоты FOL1 в полезной полосе частот от 3 ГГц до 4 ГГц, и фиксированная частота FREF равна 50 МГц. Таблица на фиг.3 показывает всего несколько примеров значений частоты FOL1, которые можно генерировать. Можно видеть, что частоты паразитных линий совмещаются с частотой FOL1, когда она равна кратному частоте FREF. Когда FOL1 не является величиной, кратной частоте FREF, появляются две паразитные линии с обеих сторон частоты FOL1, которые тем больше удалены от нее, чем больше значение частоты FOL1 удалено от кратного частоте FREF, и приближаются к кратному частоте FREF/2. В численном примере на фиг.3 частотное расстояние между частотой FOL1 и паразитными линиями больше всего для частоты FOL1=3025 МГц. Паразитные линии локализованы вокруг частот, кратных частоте FREF.
Функцией петлевого фильтра 205 дробного синтезатора 106 является, в частности, фильтровать фазовый шум и паразитные линии. Характеристики фильтрации регулируются в зависимости от параметра полосы петли, выраженного в герцах. Этот параметр фиксируется по меньшей мере таким образом, чтобы оптимизировать по меньшей мере уровень фазового шума локального генератора. Паразитные линии также отфильтровываются петлевым фильтром 205 на уровне, приемлемом для функционирования TTC-приемника, когда расстояние ΔF между паразитной линией и частотой FOL1 больше чем X, умноженное на полосу петли дробного синтезатора 104. В качестве примера, число X может быть принято равным 10. Параметр X является целым или нецелым числом и регулируется в зависимости от допустимых значений помех приемника, связанных с паразитными линиями.
В случае численного примера с фиг.3 и для полосы петли B, равной 250 кГц, вредные для TTC-приемника паразитные линии находятся в полосе частот ± 2,5 МГц всех 50 МГц, что соответствует 10% полного диапазона. Таким образом, эти полосы частот представляют собой запрещенные полосы, где нельзя генерировать частоту FOL1 без появления паразитных линий. Так, применение дробного синтезатора не позволяет покрыть сплошь всю желаемую полосу частот с приемлемым уровнем ухудшения. Как правило, дробный синтезатор не будет правильно работать для частот FOL1, расположенных в полосе шириной 2B.X вокруг частот A.FREF со строго положительным целым A. Фиг.4 схематически показывает частотное распределение запрещенных полос для численных отображений, указанных на фиг.3.
Полоса частот работы TTC-приемника FRF связана с полосой, покрываемой дробным синтезатором 106, следующим соотношением: FRF=FOL1+FOL2-FFI2. Запрещенные или непригодные полосы такого дробного синтезатора 106 отражаются на полезной входной полосе TTC-приемника.
Чтобы разрешить эту проблему, TTC-приемник согласно изобретению содержит, кроме элементов, уже упоминавшихся в связи с фиг.1, устройство управления частотой 500, какое показано на фиг.5 и функцией которого является определение адекватных частот каждого синтезатора 106,107, чтобы можно было сплошь покрыть на входе TTC-приемника всю желаемую полосу частот без необходимости избегать упомянутых выше запрещенных полос частот. Запрещенных полос первого дробного синтезатора 106 избегают, изменяя соответствующим образом частоту второго синтезатора 107, который способен генерировать по меньшей мере две разные частоты FOL2,A и FOL2,B, частотное отклонение между которыми строго больше ширины запрещенной полосы, то есть 2B.X или 5 МГц для численных значений, используемых для примера с фиг.3. Второй синтезатор 107 предпочтительно является целочисленным локальным генератором с синтезом, но может также быть дробным локальным генератором с синтезом.
Структура TTC-приемника согласно изобретению показана на фиг.5. Этот приемник, помимо элементов, уже описанных посредством фиг.1, содержит устройство 500, которое позволяет управлять частотами FOL1 и FOL2. Для заданной пары частот (FRF, FFI2) устройство 500 согласно изобретению выполняет следующие этапы.
Сначала частота второго синтезатора 107 устанавливается на ее первое значение FOL2=FOL2,A.
Значение частоты FOL1 первого дробного синтезатора 106 определяется из соотношения (5) FRF=FOL1+FOL2-FFI2 для случая, когда FRF>FOL1 и FFI1<FOL2. Может возникнуть три других случая:
Если FRF>FOL1 и FFI1>FOL2, то FRF=FOL1+FOL2+FFI2 (6),
Если FRF<FOL1 и FFI1>FOL2, то FRF=FOL1-FOL2-FFI2 (7),
Если FRF<FOL1 и FFI1<FOL2, то FRF=FOL1-FOL2+FFI2 (8).
Если значение, полученное для FOL1 при применении соотношений (5), (6), (7) или (8), совпадает со значением, находящимся в запрещенной полосе, а именно полосе шириной 2B.X сцентрированная на значении частоты A.FREF, упомянутая полоса находится в полезной входной полосе частот [FRF,мин, FRF,макс] приемника, тогда и только в этом случае частота второго синтезатора 107 изменяется и принимает свое второе значение FOL2=FOL2,B. Это второе значение представляет по меньшей мере отклонение больше 2В.Х и меньше FREF-2В.Х от первого значения. Таким образом, отсюда следует, что избегают генерации частоты FOL1 в запрещенной полосе, позволяя одновременно приемнику оставаться совместимым с парой частот (FRF,FFI2), устанавливаемой ограничениями, связанными с системой. В более общем случае, условие, которому должна удовлетворять частота FOL2,B, состоит в том, что выбор ее значения позволяет избежать того, что значение частоты FOL1 совпадет со значением, находящимся в запрещенной полосе, то есть со значением, находящимся в полосе частот с нижней границей A.FREF-B.X и с верхней границей A.FREF+B.X. Это условие отражается обычно двумя следующими неравенствами, которые должны соблюдаться одновременно:
|FOL2,B-FOL2,A|>AFREF+2B.X
|FOL2,B-FOL2,A|<AFREF-2B.X,
где A означает положительное целое число или ноль.
Устройство 500 согласно изобретению выполняет для заданной пары частот (FRF,FFI2) указанные выше этапы, чтобы генерировать подходящие частоты (FOL1,FOL2).
В одном варианте осуществления изобретения заранее были выполнены соотношения (5), (6), (7) и (8), чтобы создать таблицу, показанную на фиг.6, которая для каждой пары частот (FRF,FFI2) содержит соответствующую ей пару (FOL1, FOL2).
Устройство 500 является цифровой интегральной схемой, например программируемым логическим элементом, постоянным запоминающим устройством или любым другим устройством, позволяющим выдать на выходе команду частоты синтезаторов 106,107.
Устройство управления 500, связанное с двумя синтезаторами 106, 107 частоты и тремя цепями усиления 101, 103, 105, образуют устройство 501 двойного преобразования частоты согласно изобретению.
Фиг.6 приводит в таблице соответствующие значения частот FOL1 и FOL2, которые генерированы каждым синтезатором частоты TTC-приемника согласно изобретению, чтобы можно было покрыть весь частотный диапазон на входе приемника, FRF, без дискретности и в случае, когда применяется соотношение (5). Пример на фиг.6 относится к полезной входной полосе приемника, заключенной между 4000 и 4500 МГц, со вторым синтезатором, способным генерировать, например, либо частоту FOL2,A=900 МГц, либо частоту FOL2,B=910 МГц. Ограничение, которое нужно соблюдать для выбора этих двух частот, состоит в том, чтобы отклонение между ними было больше 5 МГц и меньше 45 МГц. Возможен другой выбор частоты, если соблюдаются указанные выше ограничения, в целях избежать генерации частоты FOL1, находящейся в запрещенной полосе, гарантируя одновременно неразрывность покрытия входного полосы частот.
1. Устройство (501) двойного преобразования частоты, содержащее по меньшей мере первую цепь (101) усиления и/или фильтрации, принимающую сигнал на первой частоте FRF, первый смеситель (102) частот, осуществляющий первое преобразование частоты упомянутого сигнала в первую промежуточную частоту FFI1 и выдающий упомянутый преобразованный сигнал на вход второй цепи (103) усиления и/или фильтрации, второй смеситель (104) частот, осуществляющий второе преобразование во вторую промежуточную частоту FFI2 сигнала, выдаваемого упомянутой второй цепью (103), и выдающий упомянутый преобразованный сигнал на вход третьей цепи (105) усиления и/или фильтрации, первый дробный синтезатор частоты (106) с полосой петли B, способный производить первую синтезированную частоту FOL1 на входе упомянутого первого смесителя (102), и второй синтезатор частоты (107), целочисленный или дробный, способный производить вторую синтезированную частоту FOL2 на входе упомянутого второго смесителя (104), отличающееся тем, что
оно, кроме того, содержит средства (500) управления частотами FOL1, FOL2 упомянутых первого и второго синтезаторов (106,107), выполненных с возможностью выполнять следующие этапы:
- Инициализация частоты FOL2 на первое заданное значение FOL2,A;
- Для заданной пары частот (FRF, FFI2), определение частоты FOL1 с помощью следующих соотношений:
Если FRF>FOL1 и FFI1<FOL2, FRF=FOL1+FOL2-FFI2 (5),
Если FRF>FOL1 и FFI1>FOL2, FRF=FOL1+FOL2+FFI2 (6),
Если FRF<FOL1 и FFI1>FOL2, FRF=FOL1-FOL2-FFI2 (7),
Если FRF<FOL1 и FFI1<FOL2, FRF=FOL1-FOL2+FFI2 (8);
- Если полученное значение FOL1 находится в диапазоне частот с нижней границей A.FREF-B.X и с верхней границей A.FREF+B.X, где A есть строго положительное целое число, и X является заданным параметром, изменение частоты FOL2 на второе значение FOL2,B, определяемое таким образом, чтобы разность, по абсолютному значению, между FOL2,A и FOL2,B удовлетворяла следующим условиям:
|FOL2,B-FOL2,A|>AFREF+2B.X
|FOL2,B-FOL2,A|<AFREF-2B.X;
- Передача значений частоты FOL1 и FOL2 указанным синтезаторам частоты.
2. Устройство (501) двойного преобразования частоты по п.1, отличающееся тем, что упомянутые средства (500) управления частотами FOL1, FOL2 выполнены с возможностью сначала выполнить для всех заданных пар частот FRF, FFI2 упомянутые расчетные этапы, позволяющие определить соответствующие значения частот FOL1, FOL2 упомянутых синтезаторов частоты (106,107) и записать совокупность полученных частот FRF, FFI2, FOL1, FOL2 в запоминающее устройство, которое они содержат.
3. Устройство (501) двойного преобразования частоты по п.1 или 2, отличающееся тем, что упомянутые средства (500) управления частотами FOL1, FOL2 реализованы интегральной схемой типа ASIC или FPGA, содержащей по меньшей мере одно запоминающее устройство.
4. Приемник телеуправления для геостационарного спутника, содержащий по меньшей мере средства демодуляции (108) сигнала на промежуточной частоте FFI2 и устройство двойного преобразования по одному из предыдущих пунктов, принимающее сигнал на частоте FRF и выдающее упомянутый преобразованный сигнал на промежуточной частоте FFI2.
