Лекция по авиационной электросвязи. 6. основы оптимального приёма радиосигналов

• Название: 6. основы оптимального приёма радиосигналов
• Анкор: Лекция по авиационной электросвязи
• Дата: 14.11.2020
• Размер: 248.51 Kb.
• Имя файла: AES_6-7.docx
• Тип: Документы; #150448
• страница: 5 из 5

7.3. Программно-определяемое радио

С развитием цифровых технологий все большее внимание уделяется перспективному направлению в построении радиоприёмных трактов с применением цифровой обработки сигналов (ЦОС), в иностранной литературе – DSP (DigitalSignalProcessing). Радиотехнические устройства – приёмники, передатчики, создаваемые на основе этой технологии, принято называть программно-определяемым радио (ПОР), англоязычный вариант – Software Defined Radio (SDR). Эта технология основывается на возможности оцифровки радиосигнала в реальном времени и последующей обработке программными или аппаратными цифровыми средствами – цифровыми сигнальными процессорами, специализированными микросхемами быстродействующей программируемой логики ПЛИС (или FPGA) и т.д. Технология SDR позволяет осуществлять формирование, передачу, приём и демодуляцию сигналов не только с традиционными видами модуляции (АМ, ОМ, ЧМ), но с цифровыми, такими как DPSK, QAM, GMSK и т.д.

Особенности построения связного приёмопередающего устройства на основе использования технологии SDR приведены на рис. 45.



Рис. 45. Структура приёмопередающего устройства с технологией ПОР (SDR):
А – антенна, АП – антенный переключатель, ПРМ – аналоговая ВЧ приёмная часть, ПРД – аналоговая ВЧ передающая часть, АЦП – аналого-цифровой преобразователь, ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь, ПЛИС – быстродействующая программируемая логическая интегральная схема, ЦП – центральный процессор, УНЧ – усилитель низких частот, МУ – микрофонный усилитель

В режиме передачи сигнал от микрофонного усилителя с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) преобразуется в цифровую форму и поступает в центральный процессор (ЦП), в котором осуществляются необходимые операции в цифровом виде по обработке передаваемого сигнала (фильтрация, коррекция спектра, сжатие динамического диапазона и т.д.). Далее сигнал в цифровой форме поступает на быстродействующую программируемую интегральную схему (ПЛИС), где производятся операции модуляции и переноса сигнала в область высоких частот в виде специально сформированного цифрового потока данных. После этого с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП) обеспечивается формирование высокочастотного модулированного радиосигнала, который поступает в оконечные каскады усиления высокой частоты передающей части (ПРД) и через антенный переключатель (АП) подаётся в антенну (А) с целью излучения в виде электромагнитных волн.

При приёме высокочастотный сигнал из антенны поступает через АП в аналоговую часть приёмного устройства, где осуществляется предварительная фильтрация радиосигнала, усиление в малошумящем усилителе высоких частот. Затем принятый радиосигнал преобразуется быстродействующим АЦП в цифровую форму и подаётся в ПЛИС, которая обеспечивает формирование специального цифрового потока для дальнейшего выделения полезного сигнала и последующей его обработки цифровыми методами в ЦП (демодуляция, фильтрация, коррекция и т.д.). После этого производится преобразование полезного сигнала ЦАП в аналоговую форму, усиливается в УНЧ и подаётся на оконечное устройство, где преобразуется в форму удобную для восприятия органами чувств человека, например, акустические колебания (звук, речь).

Главные достоинства технологии программно-определяемого радио:

• 
  осуществление основных операций по обработке сигналов программными средствами (модуляция, фильтрация, детектирование и т.д.);
  
• 
  гибкость в выборе алгоритмов обработки сигналов;
  
• 
  сокращение до минимума аналоговых устройств высокочастотной части;
  
• 
  возможность сопряжения с информационно-вычислительными системами;
  
• 
  снижение массы и габаритов изделий;
  
• 
  снижение стоимости с учётом современных тенденций по удешевлению элементной базы.
  

К недостаткам технологии SDR можно отнести:

• 
  трудоёмкость и сложность программного обеспечения;
  
• 
  значительные затраты времени на разработку программного обеспечения;
  
• 
  в некоторых случаях ограниченный диапазон рабочих частот.
  

7.4. Основные требования к приёмопередающим устройствам ГА

В современных условиях к радиопередающим и радиоприёмным средствам авиационной электросвязи предъявляются достаточно жёсткие требования:

• 
  надёжное, беспоисковое вхождение в связь;
  
• 
  бесподстроечное ведение и поддержание связи без дополнительных подстроек и регулировок;
  
• 
  простота и удобство эксплуатации.
  

Беспоисковое вхождение в связь достигается формированием фиксированных рабочих частот в нужном диапазоне с требуемым шагом и возможностью дискретной настройки на выбранную частоту.

Бесподстроечное ведение связи возможно при обеспечении высокой стабильности частоты сигналов, которые используются при их обработке, модуляции, детектировании, излучении и т.д.

Поскольку для формирования необходимых сигналов в состав радиопередатчиков и радиоприёмников входят различные генераторы (гетеродины, опорные, задающие генераторы), то для соответствия этим требованиям необходимо обеспечить возможность их быстрой и точной настройки на рабочую частоту и поддержание её значения с высокой стабильностью в процессе ведения радиосвязи.

Генераторы предназначены для создания (формирования, генерирования) электрических сигналов заданной формы, частоты и мощности за счёт преобразования энергии источника питания.

Существующие разновидности генераторов электрических сигналов можно классифицировать по нескольким признакам.

По способу возникновения сигналов:

• 
  генераторы с самовозбуждением (автогенераторы);
  
• 
  генераторы с внешним возбуждением (широкополосные и резонансные усилители мощности).
  

По используемым активным элементам:

• 
  ламповые;
  
• 
  транзисторные;
  
• 
  на операционных усилителях (ОУ);
  
• 
  на туннельных диодах;
  
• 
  тиристорные (динисторные).
  

По типу частото-избирательных цепей обратной связи:

• 
  LC-типа (индуктивно-емкостные);
  
• 
  RC- типа (резистивно-емкостные);
  
• 
  RL- типа (резистивно-индуктивные).
  

Основные функциональные элементы, входящие в состав автогенератора, показаны на рис. 46,а.



Рис. 46. Обобщённая структурная схема автогенератора:
а) – типовая структурная схема, б) – выходное напряжение

Выходное напряжение генератора через частотозадающие цепи элемента обратной связи с коэффициентом передачи β подаётся на вход усилительного (активного) элемента с коэффициентом усиления K так, что

U_вых = K·U_вх , при этом U_вх = β·U_вых.

Для возникновения на выходе генератора колебаний заданной формы и частоты необходимо выполнение двух условий:

φ_K + φ_β = 0, или 2πn (баланс фаз), (7.1)

K·β = 1 (баланс амплитуд) (7.2)

Условие баланса фаз (7.1) означает, что суммарный фазовый набег в усилительном элементе и элементе обратной связи должен быть равен нулю или кратным 2π, (т.е. n = 0,1,2,3…). Такая обратная связь называется положительной. Если это условие выполняется для одной частоты, то на выходе генератора будут присутствовать гармонические колебания. Если такое условие будет выполняться для нескольких (многих) частот, то на выходе генератора будут сформированы колебания сложной формы, отличающиеся от гармонических.

Баланс амплитуд (7.2) предполагает компенсацию потерь сигнала в колебательной цепи за счёт поступающего через активный элемент необходимого количества энергии от источника питания (ИП) для поддержания незатухающих колебаний. Выполнение этого условия означает, что произведение коэффициента усиления активного элемента и коэффициента передачи элемента обратной связи (петлевое усиление) не должно быть меньше единицы.

Одним из важнейших требований, предъявляемых к автогенераторам, является стабильность (постоянство) частоты генерируемого сигнала. К основным факторам, влияющим на стабильность частоты сигналов генераторов, относятся:

• 
  механические деформации частотозадающих элементов при тряске, ударах, вибрациях;
  
• 
  изменения размеров (параметров) при изменении температуры, давления, влажности, напряжения источников питания;
  
• 
  влияние последующих каскадов (нагрузки).
  

Высокая стабильность в генераторах достигается применением кварцевой стабилизации частоты, термостатированием частотозадающих элементов (LC-колебательных контуров, кварцевых резонаторов), стабилизацией питающих напряжений и режимов работы активных элементов (электронных ламп, транзисторов, интегральных схем), применением буферных каскадов усиления, экранированием, герметизацией, амортизацией конструкции узлов генераторов.

Кварцевая стабилизация частоты в автогенераторах осуществляется применением в колебательной системе специальных кварцевых резонаторов, имеющих очень высокую электромеханическую добротность, за счёт чего и поддерживается высокая стабильность частоты получаемых колебаний (рис. 47, а). Кварцевый резонатор представляет собой пластину, вырезанную специальным образом из природного минерала – кварца – разновидности двуокиси кремния (SiO₂). На противоположных гранях пластины изготавливаются электроды путём напыления из хорошо проводящих металлов (серебро, золото, никель), к которым присоединяются кварцедержатели в виде пружин, иголок или струн. Поскольку кварц является хорошим диэлектриком, то пластина из такого материала обладает пьезоэффектом – преобразованием электрической энергии в механическую и обратно. Если кварцевую пластину включить в цепь переменного напряжения, то при совпадении частоты приложенного переменного напряжения с частотой собственных механических колебаний кварца наступит явление резонанса, при котором резко возрастает амплитуда механических колебаний, а значит, и возрастает амплитуда пьезоэлектрического тока. Такое поведение кварца в переменном электрическом поле аналогично поведению электрического колебательного контура с индуктивностью L и ёмкостью C. Поэтому эквивалентную схему кварцевого резонатора можно представить в виде параллельного колебательного контура, имеющего в одной ветви реактивное сопротивление одного вида (емкостнóе), а в другой реактивные сопротивления двух видов (индуктивное и емкостнóе) (рис. 47, б). Колебательный контур, соответствующий эквивалентной схеме кварцевого резонатора, характеризуется двумя резонансными частотами: частотой последовательного резонанса

(7.3)

в ветви, состоящей из последовательного колебательного контура L_SC_S и сопротивления потерь r_S, и частотой параллельного резонанса всего контура с учётом ёмкости кварцедержателя C₀

. (7.4)

Отношение C_S/C₀ обычно значительно меньше единицы, поэтому резонансная частота f_S незначительно отличается от f₀, а разность этих частот (f₀ – f_S) называется резонансным промежутком и составляет от нескольких сотен до 3-4 тысяч Герц.

Изменения величины и характера реактивного сопротивления кварцевого резонатора X и эквивалентного сопротивления параллельного контура R_Э между выводами A и B на схеме (рис. 47, б) в зависимости от частоты показаны на рис. 47, в.



Рис. 47. Кварцевая стабилизация частоты в автогенераторах:
а) – схема электрическая принципиальная, б) – эквивалентная схема кварцевого резонатора, в) – резонансная характеристика кварцевого резонатора

Видно, что в интервале частот от f_S до f₀ кварцевый резонатор имеет индуктивное сопротивление, т.е. представляет собой индуктивность. Для всех остальных частот он обладает емкостным сопротивлением, т.е. является ёмкостью. Но резонансная характеристика эквивалентного параллельного контура очень острая, так как его добротность очень высокая. Соответственно фазо-частотная характеристика резонатора имеет большую крутизну в узких интервалах частот вблизи f_S и f₀. Все эти обстоятельства и определяют способность кварцевого резонатора обеспечивать высокую стабильность частоты колебаний автогенераторов и приёмопередающих устройств (радиостанций) в целом. Коэффициент относительной нестабильности частоты колебаний кварцевых генераторов может достигать значений 10^–6...10^–8.

В большинстве современных радиостанций, приёмных и передающих устройствах авиационной радиосвязи для обеспечения высокой стабильности с возможностью быстрой и точной перестройки частоты применяются синтезаторы частот, которые позволяют получить дискретную сетку рабочих частот с требуемой долговременной и кратковременной стабильностью частоты. Синтезом частот называют преобразование колебаний стабильной частоты с помощью простых операций суммирования, вычитания, деления и умножения.

Построение синтезаторов частот (СЧ) может быть основано на методах прямого или косвенного синтеза сигналов с нужной частотой.

В устройствах прямого синтеза из исходного колебания одного кварцевого генератора путём деления, умножения и преобразования частоты формируются сигналы с требуемыми частотами («сетка» частот). Фрагмент структуры такого синтезатора приведён на рис. 48.

Формирование требуемого множества фиксированных частот (сетки) начинается с деления частоты стабильного колебания кварцевого генератора на некоторое число n с целью получения заданного значения шага перестройки f_Ш радиостанции. Затем производится умножение частоты f_Ш для получения сигналов с частотами, кратными шагу – 2f_Ш, 3f_Ш, … mf_Ш. Далее путём преобразования частоты осуществляется перенос всего множества кратных шагу частот в область частоты f₀. В итоге получаются сигналы с дискретными частотами f₀, f₀ + f_Ш, f₀ + 2f_Ш, f₀ + 3f_Ш, … , f₀ + mf_Ш, которые после необходимой обработки уже можно использовать в качестве сигналов задающего генератора в радиопередающей части или в качестве сигналов маломощного гетеродина в приёмной части радиостанции.

Основное преимущество устройств прямого синтеза – это высокое быстродействие при формировании сигналов с фиксированными частотами и практически мгновенная готовность к работе после перестройки на выбранную частоту. Недостатками являются относительно большие аппаратурные затраты и, как следствие, повышенное энергопотребление, что ограничивает их применение в мобильных и портативных приёмопередающих устройствах.



Рис. 48. Синтезатор частот прямого синтеза

При косвенном синтезе выходной сигнал формируется в перестраиваемом по частоте генераторе, частота которого непрерывно сравнивается с эталонной и подстраивается с помощью систем автоматической подстройки частоты. В современных приёмопередающих радиоустройствах широко используются синтезаторы с цифровой фазовой автоподстройкой частоты на основе применения цифровых интегральных микросхем. Типовая функциональная схема синтезатора содержит опорный кварцевый генератор (ОГ) с делителем, имеющим фиксированный коэффициент деления (ДФКД), и кольцо фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ), состоящее из генератора, управляемого напряжением (ГУН), делителя с переменным коэффициентом деления (ДПКД), импульсного частотно-фазового детектора (ИЧФД), фильтра нижних частот (ФНЧ) (рис. 49).

Частота колебаний ОГ f₀, стабилизированная кварцевым резонатором, делится в ДПКД на фиксированное число m до значения требуемого шага перестройки f_Ш, и опорный сигнал с этой частотой поступает на один из входов ИЧФД. Выходные высокочастотные колебания в нужном диапазоне формируются ГУН и после деления их частоты в ДПКД на установленное число n сигнал с частотой f’_Ш подаётся на другой вход ИЧФД.



Рис. 49. Синтезатор частоты косвенного синтеза

В установившемся режиме частота опорного сигнала f_Ш совпадает с точностью до фазы с частотой f’_Ш, полученной из частоты сигнала ГУН и будет точно соответствовать установленному с пульта дистанционного управления (ПДУ) значению выбранной рабочей частоты радиостанции f_С. При этом на выходе ИЧФД и ФНЧ будет поддерживаться управляющее напряжение U_УПР, соответствующее заданному значению рабочей частоты. Если частота сигнала ГУН начнёт отклоняться от номинального значения, то на выходе ИЧФД и ФНЧ сформируется дополнительное управляющее напряжение, изменяющее частоту сигнала ГУН, приводя её к номинальному значению. Перестройка на другую рабочую частоту осуществляется изменением коэффициента деления n в ДПКД. Таким образом, в синтезаторе косвенного синтеза обеспечивается кварцевая стабилизация множества фиксированных дискретных значений частот, необходимых для функционирования передающей и приёмной частей радиостанций, с помощью одного опорного кварцевого генератора.

Основными достоинствами метода косвенного синтеза частот являются:

• 
  удобство настройки радиостанции на выбранную рабочую частоту путём установки необходимого числа в ДПКД, на которое делится частота сигнала ГУН, без изменений в структуре синтезатора;
  
• 
  реализация на основе применения современных цифровых интегральных микросхем;
  
• 
  уменьшение габаритов и массы, повышение надёжности синтезаторов.
  

К недостаткам этого метода относятся:

• 
  инерционность процессов в кольце ФАПЧ;
  
• 
  повышенный уровень помех с частотами, кратными опорной частоте сравнения.
  

Синтезаторы частот нашли применение во многих приёмопередающих устройствах различного назначения, в том числе и в средствах авиационной радиосвязи диапазонов СЧ, ВЧ, ОВЧ и других.