Устройство формирования сложных сигналов

Изобретение относится к электронно-вычислительной технике и радиотехнике, может быть использовано в радиоприемных и радиопередающих устройствах, радиолокации. Технический результат заключается в формировании сложных сигналов, которые позволяют снизить уровень амплитудных и фазовых побочных составляющих синтезируемого квазинепрерывного и ЛЧМ-сигналов. Для этого предложено устройство, которое содержит выход (3) генератора опорной частоты, выход (1) внешнего интерфейса, входной буфер (4), устройство управления (5), шину (12) управления ЦВС, ЦВС (6), фильтр (8) нижних частот, управляемый аттенюатор (9), выходной полосовой фильтр (10), разъем (13) выходного сигнала и разъем (14) выходного импульса запуска. Введен умножитель (7) опорной частоты, включающий в себя последовательно соединенные входное устройство (19), генератор гармоник (20) и два полосовых фильтра (21), при этом вход умножителя опорной частоты соединен с выходом (3) опорного генератора, а разъем (22) выхода подключен к ЦВС (6). Устройство управления (5) состоит из контроллера сопряжения с внешним интерфейсом (15), формирователя задержки (16), формирователя длительности (17), контроллера цифрового вычислительного синтезатора (18). 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Настоящее устройство относится к электронно-вычислительной технике и радиотехнике, может быть использовано в радиоприемных и радиопередающих устройствах, радиолокации.

Известен рад многоуровневых цифровых вычислительных синтезаторов (ЦВС) (Формирование прецизионных частот и сигналов: учебное пособие / Н.П. Ямпурин, В.В. Болознев, Е.В. Сафронова, Е.Б. Жалнин. - Нижний Новгород: Нижегородский государственный технический университет, 2003. - 187 с.), которые в общем случае содержат генератор опорной (тактовой) частоты (ГОЧ) с частотой ƒ₀, каскад из программируемых накопителей кода (НК), фазовый преобразователь (ФП), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и фильтр низких частот (ФНЧ). В работе отмечается, что максимальная синтезируемая частота ƒ_{c max} должна составлять не более (0,1…0,25)⋅ƒ₀, при этом качество синтезируемого сигнала растет по мере увеличения ƒ₀. Недостатком данного решения является увеличение уровня фазовых шумов синтезируемого сигнала при высоких значениях ƒ₀, главным источником которых является ГОЧ.

Известна структурная схема (Цифровые вычислительные синтезаторы - применение в системах синтеза частот и сигналов. / В. Кочемасов, А. Голубков, Н. Егоров, А. Черкашин, А. Чугуй. Научно-технический журнал «Электроника: наука, технология, бизнес» №8 (00140) 2014. - 196 с.) синтезатора частот. В схеме предлагается использовать опорный генератор (ОГ) с частотой ƒ_ОГ выход которого подключен ко входу генератора гармоник (ГГ), выход которого, в свою очередь, является входом полосового фильтра, настроенного на частоту пропускания ƒ₀=N⋅ƒ_ОГ, где N - номер гармоники. Полученный выходной сигнал при этом будет характеризоваться низким уровнем фазовых шумов, определяемых, в конечном счете, стабильностью ОГ. К недостаткам данного устройства можно отнести наличие сложной аналоговой системы смесителей, применение которой ограничивает область его использования.

Наиболее близким к предлагаемому решению является схема (Цифровой вычислительный синтезатор сигналов с угловой модуляцией / И.В. Рябов, Е.С. Клюжев. Журнал радиоэлектроники, №7, 2016 г. ISSN 1684-1719), где для синтеза сложных широкополосных сигналов с возможностью ЛЧМ модуляции рассматривается применение интегральной микросхемы 1508ПЛ8Т. Предложенная схема содержит разъем для подключения генератора опорной частоты (ГОЧ), цифровой вычислительный синтезатор (ЦВС), микроконтроллер (цифровое устройство управления), шину управления ЦВС, фильтр нижних частот, разъем выходного сигнала. При этом ЦВС содержит в своем составе схему синхронизации, порт управления, связанный с регистром амплитуд, регистром начальных фаз, регистром начальных частот, регистром приращения частот, регистром длительностей выдач, последовательно соединенные аккумулятор частоты, аккумулятор фазы, фазовый сумматор, один из входов которого подключен к генератору фазового шума, преобразователь фаза-амплитуда, амплитудный умножитель, амплитудный сумматор, один из входов которого подключен к генератору амплитудного шума, цифро-аналоговый преобразователь. К недостаткам данного решения относится необходимость подачи на выход ГОЧ высокочастотного сигнала ƒ₀ с низким уровнем фазовых шумов и недостаточно низкий уровень амплитудных шумов в динамическом диапазоне при ослаблении выходного сигнала (соотношение сигнал/шум).

Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является снижение уровня амплитудных и фазовых побочных составляющих синтезируемого квазинепрерывного сигнала и уменьшение паразитных боковых лепестков при сжатии линейно-частотного модулированного (ЛЧМ) сигнала.

Решение указанной технической проблемы достигается тем, устройство формирования сложных сигналов содержит выход генератора опорной частоты, выход внешнего интерфейса, входной буфер, устройство управления, шину управления цифровым вычислительным синтезатором, цифровой вычислительный синтезатор, фильтр нижних частот, управляемый аттенюатор, выходной полосовой фильтр, разъем выходного сигнала и разъем выходного импульса запуска, при этом цифровой вычислительный синтезатор содержит схему синхронизации, порт управления, связанный с регистром амплитуд, регистром начальных фаз, регистром начальных частот, регистром приращения частот, регистром длительностей выдач, последовательно соединенные аккумулятор частоты, аккумулятор фазы, фазовый сумматор, один из входов которого подключен к генератору фазового шума, преобразователь фаза-амплитуда, амплитудный умножитель, амплитудный сумматор, один из входов которого подключен к генератору амплитудного шума, и цифро-аналоговый преобразователь, причем в устройство дополнительно введен умножитель опорной частоты, включающий в себя последовательно соединенные входное устройство, генератор гармоник и два полосовых фильтра, при этом вход умножителя опорной частоты соединен с выходом опорного генератора, а разъем выхода подключен к цифровому вычислительному синтезатору, а устройство управления состоит из контроллера сопряжения с внешним интерфейсом, формирователя задержки, формирователя длительности, контроллера цифрового вычислительного.

Вход первого резистора входного устройства подключен к выходу опорного генератора, а выход соединен с фильтром, начало первой обмотки которого подключено к концу второй обмотки, а конец первой обмотки через второй резистор подключен к началу второй обмотки, который является выходом входного устройства.

Третий резистор, являющийся входом генератора гармоник, подключен к концу первичной обмотки входного трансформатора, начало которой соединяется со средней точкой его вторичной обмотки, при этом начало и конец вторичной обмотки являются инверсным и прямым, соответственно, входами компаратора, выходы которого подключаются параллельно к четвертому резистору и к входам первого и второго конденсаторов, выходы которых соединяются с началом и концом первичной обмотки выходного трансформатора, средняя точка первичной обмотки которого связана с концом вторичной обмотки, а начало вторичной обмотки является выходом генератора гармоник.

Каждый полосовой фильтр содержит последовательно соединенные полосовой пьезоэлектрический фильтр, вход которого является входом полосового фильтра, усилитель и разделительный конденсатор, выход которого является выходом полосового фильтра.

Тактовые входы контроллера сопряжения с внешним интерфейсом, контроллера цифрового вычислительного центра, формирователя задержки и формирователя длительности соединены с выходом опорного генератора, а второй выход контроллера сопряжения является шиной управления аттенюатором.

Вход импульса запуска является входом последовательно соединенных формирователя задержки и формирователя длительности, выход которого - разъем выходного импульса запуска.

Технический результат, достигаемый в заявленном изобретении, заключается в формировании сложных сигналов с низким уровнем амплитудных и фазовых побочных составляющих синтезируемого квазинепрерывного и ЛЧМ сигналов.

Сравнение заявленного технического решения с уровнем техники по научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежных рубриках показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна, следовательно, техническое решение соответствует условию патентоспособности "новизна".

Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенное устройство имеет признаки, которые отсутствуют в технических решениях, а использование их в заявленной совокупности дает возможность получить новый технический результат, следовательно, предложенное техническое решение имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.

Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".

Предлагаемое устройство формирования сложных сигналов (далее устройство) иллюстрируется чертежами:

на фиг. 1 приведена структурная схема устройства формирования сложных сигналов;

на фиг. 2 приведена структурная схема умножителя частоты;

на фиг. 3 приведена структурная схема ЦВС.

Устройство (фиг. 1) состоит из выхода 1 внешнего интерфейса, входа 2 импульса запуска, выхода 3 опорного генератора (не показан), входного буфера 4, устройства управления 5, цифрового вычислительного синтезатора (далее - синтезатор) 6, умножителя опорной частоты 7, фильтра нижних частот 8, управляемого аттенюатора 9, выходного полосового фильтра 10, шины 11 управления аттенюатором 9, шины 12 управления синтезатором 6, разъема 13 выходного сигнала, разъема 14 выходного импульса запуска. В качестве опорного генератора используется, например, термостабилизированный кварцевый генератор. Цифровой вычислительный синтезатор 6, реализован, например, в виде интегральной микросхемы 1508ПЛ8Т.

Устройство управления 5 включает контроллер 15 сопряжения с внешним интерфейсом, формирователь задержки 16, формирователь длительности 17, контроллер 18 синтезатора 6. Устройство управления 5, реализация которого возможна, например, на базе дискретных компонентов, микроконтроллера с программным обеспечением, или программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС).

Умножитель опорной частоты 7 (фиг. 2) состоит из входного устройства 19, генератора гармоник 20, и, по крайней мере, двух полосовых фильтров 21, разъема 22 выхода умножителя опорной частоты 10. Входное устройство 19 содержит первый резистор 23, второй резистор 24, фильтр 25. Генератор гармоник 20 содержит третий резистор 26, входной трансформатор 27, компаратор 28, четвертый резистор 29, первый конденсатор 30, второй конденсатор 31, выходной трансформатор 32. Каждый полосовой фильтр 21 содержит полосовой пьезоэлектрический фильтр 33, усилитель 34, разделительный конденсатор 35.

Цифровой вычислительный синтезатор 6 включает в себя порт управления 36, схему синхронизации 37, регистр амплитуд 38, регистр начальных фаз 39, регистр начальных частот 40, регистр приращения частот 41, регистр длительностей выдач 42, аккумулятор частоты 43, аккумулятор фазы 44, генератор фазового шума 45, фазовый сумматор 46, преобразователь фаза-амплитуда 47, амплитудный умножитель 48, генератор амплитудного шума 49, амплитудный сумматор 50, цифро-аналоговый преобразователь 51, разъем 52 выхода синтезатора 6.

Устройство работает следующим образом. С выхода 3 опорного генератора подается сигнал с частотой ƒ_ОГ, достаточно низкой для обеспечения приемлемых параметров фазовых шумов. Сигнал поступает на входное устройство 19 умножителя опорной частоты 7, вход которого согласуется с выходом 3 опорного генератора с помощью первого резистора 23, после чего из него вычитается паразитная дифференциальная составляющая, цепочкой из фильтра 25 и второго резистора 24. Полученный сигнал через третий резистор 26 генератора гармоник 20 подается на конец первичной обмотки входного трансформатора 27, при этом, начало первичной обмотки соединяется со средней точкой его вторичной обмотки и имеет нулевой потенциал. Начало и конец вторичной обмотки трансформатора 27 являются соответственно инверсным и прямым входами компаратора 28, который преобразует сигнал в прямоугольные импульсы с частотой ƒ_ОГ и сдвигом фазы 0° на прямом и 180° на инверсном выходах. Выходы компаратора 28 подключаются к выводам четвертого резистора 29 и к входам первого 30 и второго 31 конденсаторов, выходы которых, подключаются к началу и концу, соответственно, первичной обмотки выходного трансформатора 32. Средняя точка первичной обмотки выходного трансформатора 32 связана с концом вторичной обмотки и имеет нулевой потенциал, а начало вторичной обмотки является выходом генератора гармоник 20. Сопротивление четвертого резистора 29 выбирается равное волновому сопротивлению первичной обмотки выходного трансформатора 32. С выходного трансформатора 32 сигнал проходит последовательно через два одинаковых полосовых фильтра 21, при этом из сигнала выделяется требуемая спектральная составляющая. Например, выделена спектральная составляющая N-ой гармоники от ƒ_ОГ, тогда частота на выходе 22 умножителя опорной частоты 7 составит ƒ₀=ƒ_ОГ⋅N.

Сигнал с частотой ƒ₀ с выхода 22 умножителя опорной частоты 7 поступает на схему синхронизации 37 синтезатора 6.

Сигнал с устройства управления 5 по шине 12 управления синтезатором 6 поступает на порт управления 36 синтезатора 6, и в регистры начальных фаз 39, приращения частот 41, длительности выдач 42 заносятся значения, определяющие режим работы связки из аккумулятора частоты 43 и аккумулятора фазы 44. Тем самым, определяется тип синтезируемого сигнала как квазинепрерывный сигнал, возрастающий или убывающий ЛЧМ сигнал. Полученный сигнал цифровой фазы, для снижения уровня побочных составляющих, возникающих вследствие дискретизации, рандомизируется с помощью генератора фазового шума 45 и фазового сумматора 46. После прохождения процедуры преобразования фаза-амплитуда, через преобразователь фаза-амплитуда 47, сигнал масштабируется амплитудным умножителем 48 на значение, занесенное через шину 12 управления синтезатором 6 в регистр амплитуд 38. Для устранения нежелательных дискретных составляющих в спектре выходного сигнала используется рандомизация амплитуды, осуществляемая путем суммирования амплитудным сумматором 50 выходных данных цифровой амплитуды с данными, вырабатываемыми генератором амплитудного шума 49. Далее полученные данные цифровой амплитуды преобразуются в аналоговый вид цифро-аналоговым преобразователем 51 и поступают на выход 52 синтезатора 6.

Из синтезированного сигнала фильтром нижних частот 8 удаляются шумы квантования. Для реализации возможности ослабления выходного сигнала с одновременным сохранением динамического диапазона (соотношение сигнал/шум), необходимость в котором может возникнуть, например, при имитации отраженных сигналов в радиоприемных устройствах, к выходу фильтра нижних частот 8 подключен управляемый аттенюатор 9. Коэффициент ослабления задается с помощью устройства управления 5 посредством шины 11 управления аттенюатором 9. Выходной сигнал 13 формируется, пройдя через выходной полосовой фильтр 10, дополнительно ослабляющий амплитуду побочных внеполосных составляющих.

Контроллер 15 сопряжения с внешним интерфейсом принимает данные с выхода 1 внешнего интерфейса, логические уровни которого предварительно преобразуются входным буфером 4. Принятые данные расшифровываются и распределяются в зависимости от результата между управляемым аттенюатором 9 по шине 11 управления аттенюатором 9, контроллером 18 синтезатора 6, формирователем задержки 16 или формирователем длительности 17. В свою очередь, контроллер 18 синтезатора 6 осуществляет передачу данных на синтезатор 6 по шине 12 управления синтезатором 6.

По наличию выходного импульса запуска на выходе формирователя длительности 17 контроллер 18 синтезатора 6 выдает команду синтезатору 6 для запуска процесса выдачи сигнала типа квазинепрерывного сигнала, возрастающего или убывающего ЛЧМ сигнала в соответствии с выбранным ранее режимом.

Выходной импульс запуска 14 также предназначен для синхронизации внешних подключаемых устройств и формируется путем сдвига переднего фронта входного импульса запуска 2 формирователем задержки 16 с последующим включением формирователя длительности 17, выполняющего функцию одновибратора. При этом тактирование контроллера 15 сопряжения с внешним интерфейсом, формирователя задержки 16, формирователя длительности 17 и контроллера 18 синтезатора 6 осуществляется сигналом опорной частоты f*_{0 г}, подаваемым с выхода 3 опорного генератора.

Такое выполнение устройства формирования сложных сигналов позволяет снизить уровень амплитудных и фазовых побочных составляющих синтезируемых квазинепрерывного и ЛЧМ сигналов.

1. Устройство формирования сложных сигналов, содержащее выход генератора опорной частоты, выход внешнего интерфейса, входной буфер, устройство управления, шину управления цифровым вычислительным синтезатором, цифровой вычислительный синтезатор, фильтр нижних частот, управляемый аттенюатор, выходной полосовой фильтр, разъем выходного сигнала и разъем выходного импульса запуска, при этом цифровой вычислительный синтезатор содержит схему синхронизации, порт управления, связанный с регистром амплитуд, регистром начальных фаз, регистром начальных частот, регистром приращения частот, регистром длительностей выдач, последовательно соединенные аккумулятор частоты, аккумулятор фазы, фазовый сумматор, один из входов которого подключен к генератору фазового шума, преобразователь фаза-амплитуда, амплитудный умножитель, амплитудный сумматор, один из входов которого подключен к генератору амплитудного шума, и цифроаналоговый преобразователь, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введен умножитель опорной частоты, включающий в себя последовательно соединенные входное устройство, генератор гармоник и два полосовых фильтра, при этом вход умножителя опорной частоты соединен с выходом опорного генератора, а разъем выхода подключен к цифровому вычислительному синтезатору, а устройство управления состоит из контроллера сопряжения с внешним интерфейсом, формирователя задержки, формирователя длительности, контроллера цифрового вычислительного синтезатора.

2. Устройство формирования сложных сигналов по п. 1, отличающееся тем, что вход первого резистора входного устройства подключен к выходу опорного генератора, а выход соединен с фильтром, начало первой обмотки которого подключено к концу второй обмотки, а конец первой обмотки через второй резистор подключен к началу второй обмотки, который является выходом входного устройства.

3. Устройство формирования сложных сигналов по п. 1, отличающееся тем, что третий резистор, являющийся входом генератора гармоник, подключен к концу первичной обмотки входного трансформатора, начало которой соединяется со средней точкой его вторичной обмотки, при этом начало и конец вторичной обмотки являются инверсным и прямым, соответственно, входами компаратора, выходы которого подключаются параллельно к четвертому резистору и к входам первого и второго конденсаторов, выходы которых соединяются с началом и концом первичной обмотки выходного трансформатора, средняя точка первичной обмотки которого связана с концом вторичной обмотки, а начало вторичной обмотки является выходом генератора гармоник.

4. Устройство формирования сложных сигналов по п. 1, отличающееся тем, что каждый полосовой фильтр содержит последовательно соединенные полосовой пьезоэлектрический фильтр, вход которого является входом полосового фильтра, усилитель и разделительный конденсатор, выход которого является выходом полосового фильтра.

5. Устройство формирования сложных сигналов по п. 1, отличающееся тем, что тактовые входы контроллера сопряжения с внешним интерфейсом, контроллера цифрового вычислительного центра, формирователя задержки и формирователя длительности соединены с выходом опорного генератора, а второй выход контроллера сопряжения является шиной управления аттенюатором.

6. Устройство формирования сложных сигналов по пп. 1, 5, отличающееся тем, что вход импульса запуска является входом последовательно соединенных формирователя задержки и формирователя длительности, выход которого - разъем выходного импульса запуска.