Программируемый цифровой преселектор для систем радиосвязи двойного назначения

Введение. В современном мире развитых телекоммуникационных систем существует потребность выделения нужной полосы частот сигнала из всего спектра радиодиапазона. Селективность (избирательность) по частоте является определяющим параметром радиоаппаратуры.

В принимающем тракте радиостанции избирательность по частоте осуществляется при помощи специального устройства – преселектора. Этот узел представляет собой полосовой фильтр или фильтр с возможностью изменения центральной частоты и ширины канала пропускания. Это радиочастотный блок, массогабаритные параметры и схемотехническая сложность которого пропорциональны числу рабочих диапазонов. Существует проблема его настройки, так как для качественной избирательности радиосигнала необходим LC-фильтр, содержащий не менее четырех звеньев. Полностью автоматизировать процесс настройки такого фильтра не удаётся даже в условиях массового производства. Данные факты приводят к значительному удорожанию многодиапазонного преселектора. Например, для радиостанций военного назначения его стоимость составляет 20-30% цены всего устройства и занимает порядка четверти объёма прибора.

Управление цифровым преселектором. В связи с вышеизложенным становится актуальной задача разработки преселектора, автоматически настраиваемого на этапе производства и имеющего возможность электронного коммутирования полос пропускания непосредственно во время использования. В условиях близкого расположения приёмника и мощного радиопередатчика (например, мощность выходного радиосигнала военной радиостанции Р-168-100МКМ составляет 120 Вт [1, c. 111]) возникает проблема защиты оборудования носимых радиостанций от радиосигнала большого уровня. Фильтры, построенные на варикапах, не отвечают представленным требованиям, поэтому встаёт вопрос о том, как наиболее оптимально получать необходимую частотную характеристику пассивных аналоговых фильтров. Подходящим решением является синтез аналогового LC-фильтра и цифровой электроники, позволяющей, используя современную электронную базу и цифровые алгоритмы, гибко управлять частотными параметрами предлагаемого устройства, например, перестраивать полосы пропускания или решать проблемы поиска и настройки требуемых частотных характеристик фильтра.

Устройство, основанное на таком объединении аналоговых и цифровых технологий получило название «программируемый цифровой преселектор», структурная схема которого изображена на рис.1, где использованы следующие обозначения: ВК – высокочастотный коммутатор, КН – компонент настройки, РС1 и РС2 – соответственно входной и выходной радиосигналы. Для обеспечения изменения параметров частотной характеристики используется ёмкостная матрица, состоящая из конденсаторов и ВЧ-коммутаторов. Это позволяет управлять процессом перестройки с помощью цифрового модуля, в роли которого может выступать микроконтроллер RISC-архитектуры. Данная структура обеспечивает широкие возможности по управлению устройством с любых цифровых интерфейсов.

Рис.1. Структурная схема программируемого цифрового преселектора

Альтернативные устройства фильтрации радиосигнала (пъезофильтры [2], фильтры на ПАВ [3], на сферах железоиттриевого граната и на магнитостатических волнах [4]) не могут быть применены в преселекторе, который отвечает современным требованиям радиосвязи: низкое энергопотребление; отсутствие высоковольтных преобразователей для управления перестройкой; возможность пропускать радиосигнал большой мощности в радиоприёмной аппаратуре; малые габариты и вес; цифровой интерфейс управления.

Настройка на этапе производства. Цифровое управление емкостной матрицей фильтра предоставляет возможность автоматизировать процесс его настройки при изготовлении, значительно сокращая временные и трудовые затраты на производство.

Для этой цели используется аппаратно-программный комплекс (АПК), способный изменять параметры фильтра, одновременно контролируя полученные частотные характеристики. При достижении заданной АЧХ процесс настройки считается законченным, настроечные данные сохраняются во внутренней памяти контроллера преселектора, а комплекс переходит к поиску полосы очередного диапазона.

Получение нужных характеристик устройства основано на использовании оптимальных (либо по скорости, либо по точности настройки) алгоритмов поиска заданных полос. Цифровая часть преселектора решает две задачи: во-первых, обеспечивает возможность его настройки на этапе производства (перебор номиналов ёмкостей для нахождения характеристик заданными условиями поиска), во-вторых – хранение данных о найденных полосах, возможность параллельного или последовательного управления, а также совершение «мягкой» пользовательской настройки. В цифровом программируемом преселекторе используется 8-разрядный RISC микроконтроллер со встроенной энергонезависимой памятью.

В ходе испытаний работы макета АПК по настройке преселектора было найдено 20 полос пропускания в диапазоне центральных частот от 200 до 400 МГц и полосой пропускания 4-6% от центральной частоты. На рис.2 изображена блок-схема ПО обработки данных АПК. В память микроконтроллера были занесены протоколы интерфейсов управления и коды полос пропускания.

Рис.2. Блок-схема ПО АПК

На рис.3, 4 изображены спектральные составляющие исходного и профильтрованного сигналов. Очевидно, что дальнейшая обработка радиоприёмной аппаратурой сигнала, прошедшего селекцию, оказывается более предпочтительной, так как улучшает характеристики всего приёмного тракта.

Рис.3. Спектр входного радиосигнала с помехами

Рис.4. Спектр радиосигнала после селекции

На рис.5 приведены практически полученные АЧХ полосовых фильтров с центральными частотами 200 МГц и 400 МГц соответственно. На рис.6 изображена полоса пропускания полосового фильтра преселектора, настроенного на частоту 200 МГц. Измерения проведены на макете перестраиваемого преселектора анализатором цепей Agilent E5062А. Перестройка на полосы осуществлялась соответствующей цифровой последовательностью через интерфейс управления.

Частота, МГц

а )

Частота, МГц

б )

Рис.5. АЧХ преселектора, настроенного на центральную частоту 200 МГц ( а ) и 400 МГц ( б )

Частота, МГц

Рис.6. Полоса пропускания преселектора, настроенного на 200 МГц

Заключение. Рассмотренное устройство позволяет без внесения структурных изменений в радиоприёмную аппаратуру обеспечить увеличение радиуса действия уверенного приёма радиосигнала в несколько раз по сравнению с аналогичными радиоприёмными станциями, в которых данный узел отсутствует, увеличить помехоустойчивость, обеспечить поддержку шифрования, использующего псевдослучайную перестройку несущей частоты, а также защитить входные цепи радиоприёмного оборудования от воздействия мощного внеполосного радиосигнала.