Приймач-передавач нвч системи зв’язку з частотною модуляцією несучої частоти

Приймач-передавач НВЧ системи зв'язку з частотною модуляцією несучої частоти, що містить послідовно з'єднані блоки "Збуджувач" та "Підсилювач потужності", а також послідовно з'єднані блоки "Приймач НВЧ" та "Приймач ПЧ", при цьому блок "Збуджувач" містить частотномодульований генератор, на вхід якого подається модулюючий сигнал, а також послідовно з'єднані змішувач частоти з опорним генератором, вихід якого підключений до другого входу змішувача частоти, смуговий фільтр, малопотужний підсилювач потужності, спрямовуючий відгалужувач, перший вихід якого підключений до другого входу змішувача частоти "Приймача НВЧ", а другий ви хід підключено до входу комутатора, вихід якого підключено до входу "Підсилювача потужності", який містить послідовно з'єднані попередній підсилювач потужності, атенюатор, C2 2 (11) 1 3 80589 вимоги привели до модульної побудови ПП розділу ПП на окремі функціонально-закінчені вузли та блоки з заданими характеристиками [Быкадоров А.А. Приемопередающие модули СВЧ-диапазона. Радиотехника, 2002, №2, стр.8185]. Однією з головних вимог даних застосувань являється підвищення чутливості приймача, збільшення відношення (сигнал/шум) вихідного сигналу та зменшення вірогідності помилки прийому. Найбільш відомі структурні схеми ПП складаються з ряду каналів, кожний з яких складається з частотного модулятора, змішувача частоти з сигналом гетеродину, фільтру та підсилювача проміжних частот (ПЧ), помножувача частот ПЧ до вихідних НВЧ (передавач). При прийомі НВЧ сигнал підсилюється в малошумному підсилювачі, перетворюється на ПЧ в змішувачі частоти за допомогою гетеродину, фільтрується та підсилюється на ПЧ, демодулюється і подається на вихід приймача [Михайлов А.В. Высокоэффективные оптимальные системы связи. -Μ.: Связь, 1980, с.19-23]. При передачі дискретних (цифрових) сигналів генерується на кожній із несучих з допомогою частотно-маніпульованого генератора (ЧМГ) одна із двох частот відповідно f0, 1 або f0, -1 в залежності від додатньої чи від'ємної полярності модулюючого сигналу передаваємої посилки. Недолік описаних ПП полягає в збільшенні смуги спектру випромінення при формуванні ЧМ сигналу з двополярною девіацією частоти, що приводить до зменшення відношення (сигнал/шум)вих та завадозахищеності прийому. Найбільш близьким по технічній сутності і тому вибраний як прототип є прийомопередавач НВЧ, описаний в роботі [Андрусенко Н.И., Гузь В.И., Липатов В.П. и др. Приемопередатчик системы связи I-диапазона с частотной модуляцией несущей. Тр уды 14-ой Международной Крымской конференции СrіМіСо-2004, с.256-257]. Прототип складається з декількох функціональних блоків, а саме "Збуджувача", який в свою чергу складається з послідовно з'єднаних вузлів ЧМГ, змішувача частоти (ЗЧ) з опорним генератором (ОГ), вихід якого підключений до другого входу ЗЧ, см угового фільтру (СФ), малопотужного підсилювача (MПП), спрямовуючого відгалужувача (СВ), комутатора (К), та послідовно з'єднаного з ним "Підсилювача потужності", який складається з попереднього підсилювача потужності (ППП), атенюатора (AT), кінцевого підсилювача потужності (КПП), широкосмугового фільтру (ШСФ), працюючих на передачу, а також "Приймача НВЧ", який складається з послідовно з'єднаних ШСФ, захисного пристрою (ЗП), малошумного підсилювача (МШП), ЗЧ, на другий вхід якого подається гетеродинний сигнал з другого виходу СВ, та послідовно з'єднаного з ним "Приймача ПЧ", який складається з послідовно з'єднаних фільтра зосередженої селекції (ФЗС), МПП, обмежувача амплітуди, частотного демодулятора 4 (ЧД), відеопідсилювача (ВП), працюючих на прийом інформації. Прототип працює наступним чином. Використовується розподіл сигналів по частоті та часі за допомогою сигналів управління (СУ). При СУ "Bкл.f1(fn)" в "Збудж увачі" формується несуча частота f1(f n), яка змінюється по частоті модулюючим сигналом (МС) під час роботи ПП на передачу. З допомогою ЧМГ формується ЧМ сигнал на ПЧ, який переноситься з допомогою змішувача частоти в надвисокочастотний діапазон і підсилюється в "Підсилювачі потужності" та подається на вихід ПП. За допомогою сигналу управління "Імпульс запуску" (ІЗ) регулюється режим передачі та прийому сигналу. Позитивне значення ІЗ (режим передачі) відкриває комутатор в "Збуджувачі" та атенюатор в "Підсилювачі потужності". При відсутності ІЗ, коли його амплітуда дорівнює нулю (режим прийому), запирається комутатор "Збуджувача" і атенюатор "Підсилювача потужності", при цьому НВЧ сигнал надходить на вхід "Приймача НВЧ", підсилюється і перетворюється з допомогою гетеродина в сигнал ПЧ, поступає на "Приймач ПЧ", де фільтрується, демодулюється, підсилюється та у вигляді відеосигналу подається на вихід ПП. Формується сигнал з смугою випромінення, яка визначається формулою (1) при передачі дискретних повідомлень [Андрусенко Н.И., Гузь В.И., Липатов В.П. и др. Приемопередатчик системы связи 1-диапазона с частотной модуляцией несущей. Труды 14-ой Международной Крымской конференции СrіМіСо2004, с.256-257]): p - l2 ) Q (1) Ак = p p (k + l1 )2 (k - l 2 )2 Q Q де -Ак - рівень складових спектру ЧМ сигналу (спектру потужності); -Q=Т/t и - скважність МС; tи , Τ - тривалість та період МС; l1=pΔ F0t и/Q; l2=pΔF 0t и (1-Q); ΔF0 - девіація частоти, k=0, ±1, ±2,... Так, наприклад, при ΔF0=±1,5МГц; tи=6,6мкс; Τ=13,2мкс (Q=2) та двополярному МС ширина спектру ЧМ сигналу ΣΑк згідно (1) по рівню мінус 30дБ від немодульованої несучої дорівнює 4,8МГц. При цьому гранична чутливість приймача при коефіцієнті шуму К ш (раз) дорівнює Ргран=k·Т0 ·Кш·ΔfПЧ (2) де k - постійна Больцмана [Вт(Гц·°К)]-1; То - стандартна температура [°К]; ΔfПЧ - смуга частот приймача ПЧ [Гц]. При, наприклад, Кш=4дБ (2,5 рази) згідно (2) при урахуванні ΣΑΚ та нестабільності несучих та гетеродинних частот ~0,2 МГц в НВЧ діапазоні Ргран=1,38·10-23·290·2,5·5·106[Βт]=5·10 -14Вт або в дБВт Ргран=101g(5·10-14)=-133дБВт. Недолік прототипу полягає в використанні (формуванні) підвищеної смуги частот сигналу передавача та, відповідно, росту шумової смуги l2 sin2 (k 1 5 80589 приймача ПП, що призводить до зниження чутливості прийому та відношення (сигнал/шум)вих, тобто до зниження завадозахищеності ПП. В основу вина ходу поставлено завдання зменшення смути частот випромінення, підвищення чутливості прийому та відношення сигнал/шум вихідного сигналу, отже підвищення вірогідності прийому сигналу (зменшення вірогідності помилки прийому сигналу). Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в прийомопередавач, що містить в собі "Збуджувач", який складається з ЧМГ, на вхід якого подається модулюючий сигнал (МС), послідовно з'єднаних ЗЧ з ОГ, ви хід якого підключений до другого входу ЗЧ, СФ, MПП, CB, перший вихід якого підключений до другого входу змішувача частоти (гетеродинний вхід) "Приймача НВЧ", а другий ви хід підключено до входу комутатора, ви хід якого являється виходом "Збуджувача", підключений до входу "Підсилювача потужності", який складається з послідовно з'єднаних ППП, атенюатора, КПП, ШСФ, вихід якого являється першим виходом ПП, при цьому до управляючих входів комутатора "Збуджувача" та атенюатора "Підсилювача потужності" подається СУ "Імпульс запуску", а також "Приймач НВЧ", на вхід якого подається НВЧ сигнал, який складається з послідовно з'єднаних ШСФ, ЗП, МШП, а також змішувача частоти, вихід якого подається на "Приймач ПЧ", який складається з послідовно з'єднаних ФЗС, МПП, обмежувача амплітуди сигналу, ЧД, ВП, вихід якого являється другим виходом ПП виходом сигналу інформації (СІ), який відрізняється тим, що введені додатково в блок "Збуджувач" другий ЧМГ 2, комутатори К1, К3 та суматор, при цьому послідовно з'єднані перший комутатор (К1) та суматор підключені між виходом ЧМГ 1 та першим входом ЗЧ, а послідовно з'єднані другий ЧМГ 2, комутатор (К3) підключені між входом МС та др угим входом суматора, при цьому відповідно управляючий вхід K 1 підключено до СУ "Вкл. f1 (fn)", а управляючий вхід К3 підключено до СУ "Вкл. f2(fn+1)", а в "Приймач НВЧ" додатково введений вузькосмуговий фільтр (ВСФ), включений між виходом малошумного підсилювача та входом змішувача частоти. Така побудова ПП дозволяє виконати поставлену вимогу (ціль) до ПП, а саме звузити спектр випромінення та смугу часто т ПЧ (ФЗС), зменшити наведені шуми на приймач від передавача (збуджувача) на час прийому, завдяки чому підвищується чутливість прийому та збільшується відношення сигнал/шум вихідного сигналу ПП (сигналу інформації), відповідно збільшується вірогідність прийому сигналу. Авторам не відомі технічні рішення, які мають сукупність ознак, які збігаються з сутністю відмінних ознак пропонуємого технічного рішення і тому вони роблять висновок про те, що запропоноване рішення володіє істотними відмінами. Суть винаходу роз'яснюється наступним описом та кресленнями, де на фіг 1 представлена 6 блок-схема прийомопередавача НВЧ системи зв'язку з частотною модуляцією несучої. Запропонований прийомопередавач НВЧ системи зв'язку з частотною модуляцією несучої (Фіг.1); складається з чотирьох блоків: "Збуджувача" (І), "Підсилювача потужності" (II), "Приймача НВЧ" (III) та "Приймача ПЧ" (IV), при цьому блок "Збуджувач" (І) складається з послідовно з'єднаних першого ЧМГ 1, першого комутатора 2, суматора 3, змішувача частоти 4, смугового фільтру 5, малопотужного підсилювача 6, спрямовуючого відгалужувача 7, другого комутатора 8, вихід якого підключений до входу "Підсилювача потужності",та послідовно з'єднаних другого ЧМГ 9, третього комутатора 10, вхід яких з'єднаний з входом першого ЧМГ 1, на вхід якого подається модулюючий сигнал, а вихід підключений до другого входу суматора, а також містить в собі опорний генератор 11, вихід якого підключений до другого входу змішувача частоти 4; блок "Підсилювач потужності" (II) складається з послідовно з'єднаних попереднього підсилювача потужності 12, атенюатора 13, кінцевого ; підсилювача потужності 14 та широкосмугового фільтру 15, ви хід якого являється першим виходом прийомопередавача, при цьому на управляючий вхід другого комутатора 8 "Збуджувача" та атенюатора 13 "Підсилювача потужності" подається сигнал управління - імпульс запуску; блок Приймач НВЧ" (III) складається з послідовно з'єднаних широкосмугового фільтру 16, захисного пристрою 17, малошумного підсилювача 18, вузькосмугового фільтру 19, змішувача часто ти 20, вихід якого підключений до входу "Приймача ПЧ" (IV), а др угий вхід підключений до другого виходу спрямовуючого відгалужувача "Збуджувача"; блок "Приймач ПЧ" (IV) складається з послідовно з'єднаних фільтру зосередженої селекції 21, малопотужного підсилювача потужності 22, обмежувача амплітуди 23, частотного демодулятора 24 та відеопідсилювача 25, вихід якого являється другим виходом прийомопередавача (виходом сигналу інформаціїСІ). Робота "Прийомопередавача НВЧ системи зв'язку з частотною модуляцією несучої" ведеться парами частот f1(f n) та f 2(f n+1), при цьому одна із частот f1(f n) використовується на передачу, а друга частота пари f2(fn+1) - на прийом, або навпаки, якщо друга частота пари f2(f n+1) використовується для передачі, то перша f1(fn) - на прийом. Так, при передачі дискретних (цифрових) сигналів інформації (МС) на нижній із частот пари, наприклад, f1 при подачі команди "Вкл. f1" відкривається комутатор К1 та формується на виході ЧМГ 1 ПЧ f1 ' з додатнім значенням девіації частоти +ΔF0. На виході ЗЧ 4 з допомогою ОГ з частотою fОГ формується несуча f1=f1'+fОГ з додатнім значенням девіації частоти ΔF0 на час передачі, який регулюється імпульсом запуску, який подається на комутатор К2 "Збуджувача" та на атенюатор "Підсилювача потужності" (II), при цьому ця ж частота f1 з виходу спрямовоючого відгалужувача "Збуджувача" подається на 7 80589 змішувач частоти "Приймача НВЧ", яка являється частотою гетеродину при прийомі. Якщо ж формується вища із несучих часто т пари, наприклад f2, то на цій несучій забезпечується ЧМ сигнал з від'ємним значенням девіації частоти завдяки дії введених додатково ЧМГ 2, К3 та суматора. Ця ж частота f2 подається на змішувач частоти "Приймача НВЧ" на час прийому. При цьому різниця частот |f1(fn)-f 2(fn+ 1)| дорівнює значенню проміжної частоти fПЧ "Приймача ПЧ". При ЧМ на частоті f1(fn) маємо значення ПЧ: fПЧ=f2-(f1+ΔF0)=f 2-f 1-ΔF0=fПЧ-ΔF 0. При ЧМ на частоті f2(fn+1) fПЧ=(f 2-ΔF0)-f1=fП Ч-ΔF0 , тобто незалежно від того, яка із несучих частот модульована по частоті, маємо на виході "Приймача ПЧ" сигнал однієї полярності, а ширина спектру сигналу дорівнює значенню девіації частоти плюс значення розширення спектру за рахунок ЧМ заданим МС. Так, наприклад, якщо вибрана різниця частот |f1(f n)-f2(fn+1)|=fПЧ=30МГц, то при ЧМ на f1(fn) зі значенням девіації частоти +ΔF 0=1,5МГц FПЧІ=f2(f1+ΔF 0)=fПЧ-ΔF 0=30-1,5=28,5МГц, а при ЧМ на f2(f n+1) при тим же абсолютним значенням девіації частоти, але іншого знаку –ΔF0, fПЧ2=(f2-ΔF0)-f 1=fПЧΔF 0=30-1,5=28,5МГц, тобто спектр ЧМ сигналу на ПЧ займає смугу навколо значення ПЧ, яка змінюється за рахунок девіації частоти на величину ΔF 0=1,5МГц, в той час як у прототипу має місце зміна частоти на ПЧ±ΔF0 , тобто з урахуванням розглянутого прикладу на 3МГц, плюс-мінус бічні складові ЧМ сигналу, які обумовлені спектром МС. Отже, незалежно від знаку девіації частоти при ЧМ на ПЧ сигнал займає смугу частот, яка дорівнює смузі енергетичного спектру ЧМ сигналу з однополярною девіацією частоти і, згідно з (1) та тими ж параметрами МС, що й у прототипу, ширина спектру ЧМ ΔΑк =3МГц, тобто менше ніж у прототипу згідно розглянутого прикладу на ~2МГц. При цьому згідно з (2) гранична чутливість приймача дорівнює 3·10-14Вт або -135,2дБВт, тобто виграш у чутли вості дорівнює (135,2133)=2,2дБ відносно параметрів прототипу. На цю величину підвищується відношення сигнал/шум сформованих коливань, таким чином вірогідність помилки прийому ЧМ сигналу зменшується на півпорядка, тобто з, наприклад, Рпом =10-3, при (сигнал/шум)вх =10дБ до Р пом =5·10-4 при (сигнал/шум)вх=12,2дБ [Пенин П.И. Системы передачи цифровой информации.-М.: Советское радио, 1976, с.126-131], а завдяки введеного вузькосмугового фільтру перед змішувачем частоти в "Приймачі НВЧ", який розрахований на пропускання смуги частот, рівній |f1(f n)-f2(fn+1)| з урахуванням спектру ЧМ сигналу, подавляються шуми дзеркальних та інших за межами фільтру частот, на час прийому зменшуються наведені шуми, а, отже, реалізується потенціальні можливості по чутливості та максимальному відношенні сигнал/шум приймача прийомопередавача НВЧ системи зв'язку з ЧМ несучої. Широкосмугові фільтри ШСФ на вході приймача НВЧ" та на виході "Підсилювача 8 потужності" передавача розраховані на передачуприйом всієї смуги частот "Прийомопередавача НВЧ системи зв'язку з частотною модуляцією несучої". Таким чином, ПП, що заявляється, має технічні переваги над найближчим аналогом, а саме: - ПП забезпечує формування спектру частот, який займає меншу смугу частот, ніж у прототипа. "Збуджувач", "Підсилювач потужності", "Приймач НВЧ", "Приймач ПЧ" можуть бути реалізовані аналогічно описаних в ви щезгаданих роботах. ЧМГ 1, ЧМГ 2 можуть бути побудовані по одному з відомих методів формування ЧМ-сигналу прямим, непрямим або комбінованим методом ЧМ з використанням для стабілізації частоти кварцових резонаторів або на НВЧ діелектричних резонаторів, описаних в [Верещагин Е.М., Никитенко Ю.Г. Частотная и фазовая модуляция в технике связи. -М.: Связь, 1974]. Комутатори К1, К2, К3 можуть бути реалізовані на р-і-n діодах, при цьому комутація сигналів ЧМГ 1, ЧМГ 2 (К1, К 3) може бути виконана шляхом комутації, напруги живлення відповідно вузлів ЧМГ 1 або ЧМГ 2 блоку "Збуджувач". Результати макетування довели ефективність запропонованого "Прийомопередавача НВЧ системи зв'язку з частотною модуляцією несучої". У НДІ "Квант-Радіолокація" розроблена технічна та конструкторська документація, а також виготовлені діючі макети пристроїв прийомопередавача НВЧ. Відпрацювання технічних рішень на макетах підтверджують технічні переваги заявленого прийомопередавача НВЧ системи зв'язку з частотною модуляцією несучої над найближчим аналогом.