[1]Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для создания перспективных радиосредств с программируемой архитектурой с цифровой обработкой сигналов непосредственно на радиочастоте, в условиях воздействия блокирующих сигналов для обеспечения устойчивой радиосвязи в сложной помеховой обстановке.
[2]Такие приемники описаны, например, в книгах «Cognitive radio technol-ogy», Second Edition, Elsevier Science & Technology Books, 2009. - p.p. 828, автора Bruce Alan Fette и «Software defined radio: enabling technologies», John Wiley & Sons, Chichester, UK, 2002. - p.p. 442 автора W. Tuttlebee, Ed, в которых их называют идеальными.
[3]Сущность таких устройств заключается в осуществлении аналого-цифрового преобразования (АЦП) на радиочастоте; применении размывающих сигналов, позволяющих увеличить частотную избирательность; обеспечении максимального размаха принимаемого сигнала на входе АЦП, не приводящего к ограничению в аналого-цифровом тракте (АЦТ), что позволяет увеличить динамический диапазон по блокированию полезного сигнала.
[4]В существующих аналогах [1-4], погрешность оцифровки и температурный дрейф характеристик АЦП и пикового детектора проявляются в недетерминированности фактического входного уровня переполнения АЦП. Это приводит к необходимости устанавливать порог компаратора исходя из минимально возможного в процессе эксплуатации уровня сигнала, вызывающего переполнение в АЦТ, и, следовательно, к уменьшению динамического диапазона по блокированию.
[5]Наиболее близким к заявляемому, является устройство, описанное в патенте [1], принятое за прототип.
[6]На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства-прототипа, где обозначено:
[7]1 - блок входных цепей и преселектора;
[9]3 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
[10]4 - цифровой приемный тракт;
[12]6 - формирователь размывающего сигнала;
[13]7 - источник частоты дискретизации;
[14]8.1-8.N - с первого по N-й опорный генератор;
[17]13 - пиковый детектор;
[19]Устройство-прототип содержит последовательно соединенные блок входных цепей и преселектора 1, сумматор 2, АЦП 3, цифровой приемный тракт 4 и демодулятор 5, выход которого является информационным выходом устройства; а также содержит формирователь размывающего сигнала 6, источник частоты дискретизации 7, содержащий N опорных генераторов 8.1…8.N, выходы которых соединены с соответствующими входами коммутатора 9, выход которого является выходом источника частоты дискретизации 7 и соединен с тактовым входом АЦП 3.
[20]Кроме того, приемник содержит последовательно соединенные пиковый детектор 13, компаратор 18 с пороговым значением П1 и ключ 12, выход которого соединен со вторым входом сумматора 2, а второй вход ключа 12 подсоединен к выходу формирователя размывающего сигнала 6. Также, выход блока входных цепей и преселектора 1 соединен с входом пикового детектора 13.
[21]Устройство-прототип работает следующим образом.
[22]Входной радиочастотный сигнал поступает на вход радиоприемного устройства и проходит через блок входных цепей и преселектора 1, в котором происходит его усиление и фильтрация помех, находящихся вне полосы пропускания преселектора. С выхода блока 1 принимаемый сигнал поступает на первый вход сумматора 2, а также на вход пикового детектора 13, с выхода которого измеренное значение амплитуды принимаемого сигнала сравнивается с порогом П1 с помощью компаратора 18. Если амплитуда принимаемого сигнала превышает пороговое значение, то ключ 12 прекращает поступление сигнала с выхода формирователя аддитивного размывающего сигнала 6 на второй вход сумматора 2, если же измеренная амплитуда меньше порогового значения, то ключ 12 пропускает сигнал с выхода формирователя аддитивного размывающего сигнала 6 на второй вход сумматора 2. С выхода сумматора 2 сигнал поступает на сигнальный вход АЦП 3, на тактовый вход которого поступает сигнал с частотой дискретизации. Для ее формирования в состав источника частоты дискретизации 7 входят N опорных генераторов 8.1-8.N и коммутатор 9, подключающий тактовый вход АЦП 3 к одному из них в соответствии с текущим режимом работы АЦП 3. Квантованные отсчеты сигнала после АЦП 3 поступают в цифровой приемный тракт 4, где осуществляются фильтрация, перенос сигнала на нулевую частоту и децимация для понижения частоты дискретизации. Далее, в демодуляторе 5 происходит принятие решения о приеме сигнала. Принятая информация поступает на выход радиоприемного устройства.
[23]Одним из важнейших динамических параметров, характеризующих возможность радиоприемного устройства осуществлять прием сигнала при наличии помех большой амплитуды, является динамический диапазон по блокированию [5], который определяется как отношение максимального уровня радиопомехи на входе, при котором коэффициент блокирования равен заданному значению, к чувствительности радиоприемного устройства при отсутствии помех.
[24]Недостатком устройства-прототипа является сужение динамического диапазона по блокированию полезного сигнала за счет уменьшения максимального уровня блокирующего сигнала, не приводящего к ограничению в АЦП, вследствие необходимости занижения порога компаратора на величину погрешности, вызванной тепловым дрейфом параметров АЦП и собственно компаратора.
[25]Задачей изобретения является реализация управления амплитудой размывающего сигнала независимо от температурных погрешностей и дрейфа уровня входного сигнала АЦП, вызывающего переполнение.
[26]Достигаемый технический результат - увеличение динамического диапазона по блокированию полезного сигнала при сохранении параметров по избирательности радиоприемного устройства.
[27]Для решения поставленной задачи в известное радиоприемное устройство, содержащее: последовательно соединенные блок входных цепей и преселектора, сумматор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровой приемный тракт и демодулятор, выход которого является информационным выходом устройства; последовательно соединенные формирователь размывающего сигнала и ключ, выход которого соединен со вторым входом сумматора; источник частоты дискретизации, содержащий N опорных генераторов, выходы которых соединены с соответствующими входами коммутатора, выход которого является выходом источника частоты дискретизации и соединен с тактовым входом АЦП, согласно изобретению дополнительно введены последовательно соединенные вычислитель амплитуды принимаемого сигнала, вход которого соединен с выходом АЦП, и цифровой компаратор с пороговым значением П2, выход которого подсоединен к первому входу ключа, при этом пороговое значение П2 определяется по формуле:
[28]
,
[29]где FS - мгновенное значение цифрового сигнала, соответствующее максимальному входному мгновенному напряжению, не вызывающему ограничения АЦП;
[30]Ad - амплитуда размывающего сигнала, В;
[31]KADC - коэффициент преобразования АЦП, устанавливающий соответствие между входным напряжением АЦП и его выходным кодом, 
.
[32]Функциональная схема заявляемого приемного устройства представлена на фиг. 2, где обозначено:
[33]1 - блок входных цепей и преселектора;
[35]3 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
[36]4 - цифровой приемный тракт;
[38]6 - формирователь размывающего сигнала;
[39]7 - источник частоты дискретизации;
[40]8.1…8.N - с первого по N-й опорные генераторы;
[42]10 - вычислитель амплитуды принимаемого сигнала;
[43]11 - цифровой компаратор;
[45]Заявляемое устройство содержит: последовательно соединенные блок входных цепей и преселектора 1, сумматор 2, АЦП 3, цифровой приемный тракт 4 и демодулятор 5, выход которого является информационным выходом устройства; последовательно соединенные формирователь размывающего сигнала 6 и ключ 12, выход которого соединен со вторым входом сумматора 2. Кроме того, устройство содержит источник частоты дискретизации 7, содержащий N опорных генераторов 8.1-8.N, выходы которых соединены с соответствующими N входами коммутатора 9, выход которого является выходом источника частоты дискретизации 7 и соединен с тактовым входом АЦП 3, выход которого через последовательно соединенные вычислитель амплитуды принимаемого сигнала 10 и цифровой компаратор 11 соединен с первым входом ключа 12.
[46]Заявляемое устройство работает следующим образом.
[47]Входной радиочастотный сигнал поступает на вход радиоприемного устройства и проходит через блок входных цепей и преселектора 1, в котором происходят его усиление и фильтрация помех, находящихся вне полосы пропускания преселектора. С выхода блока 1 принимаемый сигнал поступает на первый вход сумматора 2, где происходит его сложение с подаваемым через ключ 12 аддитивным размывающим сигналом, формируемым в блоке 6.
[48]С выхода сумматора 2 сигнал поступает на сигнальный вход АЦП 3, на тактовый вход которого поступает сигнал с частотой дискретизации. Для его формирования в состав источника частоты дискретизации 7 входят N опорных генераторов 8.1-8.N и коммутатор 9, подключающий тактовый вход АЦП 3 к одному из этих генераторов, в соответствии с текущим режимом работы АЦП 3. Квантованные отсчеты сигнала после АЦП 3 поступают в цифровой приемный тракт 4, а также на вход вычислителя амплитуды принимаемого сигнала 10, с выхода которого измеренное значение амплитуды принимаемого сигнала подается на вход цифрового компаратора 11, где происходит сравнение значения амплитуды принимаемого сигнала с пороговым значением П2 этого компаратора. Если амплитуда принимаемого сигнала превышает пороговое значение П2, то ключ 12 прекращает поступление размывающего сигнала с выхода блока 6 на второй вход сумматора 2, если же измеренная амплитуда меньше порогового значения П2, то ключ 12 пропускает размывающий сигнал с выхода блока 6 на второй вход сумматора 2. В цифровом приемном тракте 4 осуществляется фильтрация, перенос сигнала на нулевую частоту и децимация для понижения частоты дискретизации. Далее, в демодуляторе 5 происходит принятие решения о приеме сигнала. Принятая информация поступает на выход радиоприемного устройства.
[49]К несомненным преимуществам такой реализации устройства относится отсутствие влияния дрейфа уровня переполнения АЦП 3 на принятие решения об отключении размывающего сигнала, независимо от температурного режима работы, поскольку оценка амплитуды и сравнение с порогом выполняются в цифровом виде. Это позволяет увеличить максимальный неограниченный уровень блокирующего сигнала путем строгого задания максимально возможного порога отключения размывающего сигнала. Частотная избирательность, для обеспечения которой в устройстве-прототипе используется размывающий сигнал, также не изменяется, поскольку при больших уровнях, превышающих порог срабатывания П2 цифрового компаратора 11, блокирующий сигнал обеспечивает уменьшение корреляции между сигналом и продуктами, возникающими вследствие нелинейности амплитудной характеристики АЦТ, и является размывающим сигналом для принимаемого сигнала.
[50]Реализация блоков 1-9 и 12 заявляемого приемного устройства аналогична блокам устройства-прототипа и может быть выполнена в соответствии с монографией Пауль Хоровиц и Уинфилд Хилл «Искусство схемотехники» в 2-х томах. Москва, Мир, 1986 г.
[51]Реализация блока 11 известна и также описана в монографии Пауль Хоровиц и Уинфилд Хилл «Искусство схемотехники» в 2-х томах. Том 1. Москва, Мир, 1986 г., стр. 534-535.
[52]Блок 10 предназначен для оценки цифрового кода А на выходе АЦП, соответствующего мгновенной амплитуде принимаемого сигнала, путем вычисления абсолютного значения текущих отсчетов S принимаемого сигнала, которое в общем случае может быть рассчитано по формуле:
[53]
,
[54]где S - цифровой код текущего отсчета принимаемого сигнала;
[55]
- цифровой код, соответствующий мгновенной амплитуде принимаемого сигнала;
[56]
- поразрядно инвертированное значение цифрового кода текущего отсчета принимаемого сигнала.
[57]Реализация блока 10 является обычной инженерной задачей и может быть выполнена, например, в соответствии с алгоритмом, представленным на фиг. 3.
[58]С выхода АЦП 3 отсчеты принимаемого сигнала подаются в блок 14, где происходит сохранение текущего отсчета принимаемого сигнала в переменную S для оценки модуля. Далее для этого в блоке 15 определяется знак текущего отсчета путем сравнения с нулем значения переменной S.
[59]Если выполняется условие S≥0, то сохраненное значение определяет мгновенное значение А амплитуды принимаемого сигнала, которое подается на выход блока 10.
[60]Если условие S≥0 не выполняется, то в соответствии с принципом вычисления противоположного числа в дополнительном коде в блоке 16 производится поразрядная инверсия значений S, получатся 
, а затем это значение увеличивается на единицу.
[61]В этом случае на выходе блока 10 имеем:
[63]Далее полученное значение А подается к блоку 11.
[64]Приведем доказательство эффективности работы заявляемого устройства.
[65]Величина динамического диапазона по блокированию определяется как отношение максимального уровня радиопомехи на входе, при котором коэффициент блокирования равен заданному значению, к чувствительности радиоприемного устройства при отсутствии помех.
[66]Для увеличения динамического диапазона задача была определена как обеспечение максимального размаха принимаемого сигнала на входе АЦП, не приводящего к ограничению в АЦТ независимо от дрейфа уровня переполнения АЦП.
[67]В соответствии с задачей было реализовано радиоприемное устройство, в котором для приема смеси полезного сигнала и блокирующей помехи обеспечено использование полного диапазона входных сигналов АЦП, не вызывающих переполнение, независимо от амплитуды размывающего сигнала и температурного режима работы устройства.
[68]Для обеспечения максимального динамического диапазона в устройстве-прототипе поддерживается максимальный размах принимаемого сигнала на входе АЦП, не приводящий к ограничению в АЦТ. Для этого реализуется ключевое управление амплитудой размывающего сигнала на основании сравнения амплитуды входного сигнала с жестко заданным порогом П1 в компараторе 18. При такой реализации всегда существует погрешность оцифровки и температурный дрейф характеристик АЦП и пикового детектора, которые проявляются в динамическом изменении уровня переполнения АЦП, что при фиксированном уровне порога компаратора может приводить к переполнению в АЦТ. Это приводит к необходимости учета данного эффекта путем уменьшения порога компаратора на величину погрешности, что приводит к сужению динамического диапазона.
[69]Пороговое значение П1 в компараторе 18 устройства-прототипа определяется:
[71]где Amax - максимальная амплитуда сигнала на входе АЦП, В;
[72]Ad - амплитуда размывающего сигнала, В;
[73]ξ - суммарная погрешность оцифровки, В.
[74]Следовательно, в прототипе для количественной оценки увеличения динамического диапазона радиоприемного устройства необходимо оценить суммарную погрешность основных температурно-зависимых и зависящих от времени характеристик АЦП (смещение нуля и изменение крутизны характеристики преобразования) и компаратора (смещение нуля).
[75]При введении в состав приемного устройства блоков 10 и 11 получим, что пороговое значение П2 цифрового компаратора 11, по сравнению со значением П1 (компаратора в прототипе), может быть увеличено на величину 
, что позволяет обеспечить максимальный динамический диапазон независимо от температурного режима работы приемного устройства и амплитуды размывающего сигнала.
[76]Таким образом, в заявляемом устройстве пороговое значение П2 цифрового компаратора 11 определяется:
[77]
,
[78]где FS - мгновенное значение цифрового сигнала, соответствующее максимальному входному мгновенному напряжению, не вызывающему ограничения АЦП;
[79]Ad - амплитуда размывающего сигнала, В;
[80]KADC - коэффициент преобразования АЦП, устанавливающий соответствие между входным напряжением АЦП и его выходным кодом, 
.
[81]В частном случае, например, микросхема АЦП AD9626 имеет ошибку смещения, равную 4 мВ, ошибку усиления 1.4 мВ, смещение нуля ±8 мкВ/°С, и изменение крутизны характеристики преобразования 0.021%/°С. Тогда величина погрешности оцифровки принимаемого сигнала ξ при уровне переполнения АЦП 1.25 В, разрешении квантования 12 бит и температурном диапазоне от минус 40°С до 85°С составит:
[82]ξ=4⋅10-3+1.4⋅10-3+125⋅0.021⋅1.25⋅10-2+8⋅10-6⋅125≈40 мВ
[83]Тогда, в этом конкретном случае, в заявляемом радиоприемном устройстве амплитуда блокирующей помехи, не приводящей к переполнению АЦП, может быть увеличена на 
по сравнению с прототипом, при этом достигается увеличение динамического диапазона по блокированию независимо от температурного режима.
[84]Это позволяет осуществлять в цифровом виде оценку амплитуды сигнала и сравнение ее с пороговым значением независимо от дрейфа уровня переполнения АЦП.
[85]Следовательно, заявляемое радиоприемное устройство обеспечивает дополнительное расширение динамического диапазона по блокированию для обеспечения устойчивой радиосвязи в сложной помеховой обстановке.
[87]1. Патент РФ на изобретение №2548658. Радиоприемное устройство с ключевым управлением амплитудой размывающего сигнала. - Маковий B.А., Шкуров С.А., Ермаков С.А. МПК Н04В 1/64 - 8 с., Регистрация 03.10.2013. - Опубл. 20.04.15 г., Бюл. №11.
[88]2. Патент США №6268814, опубл. 31.07.2001.
[89]3. Маковий В.А., Ермаков С.А. Расширение частотного диапазона аналого-цифровых трактов методом цифровой коррекции // Теория и техника радиосвязи. - 2013. - №3. - С. 59-66.
[90]4. Маковий В.А. Цифровая коррекция комбинаций в SDR радиостанциях // Теория и техника радиосвязи. - 2012. - №3. - С. 25-34.
[91]5. ГОСТ 24375-80. Радиосвязь. Термины и определения. - М.: Изд-во стандартов, 1987. - 58 с.
[92]6. Маковий В.А. Расчет аналого-цифрового тракта программно-определяемого радиосредства // Теория и техника радиосвязи. - 2010. - №2. - C. 65-73.
