Особенности построения структурных схем приемной части контрольного ответчика

2. Особенности построения структурных схем приемной части контрольного ответчика

При выборе и обосновании структурной схемы радиоприемного устройства необходимо стремиться к более полному удовлетворению требований технического задания на весь контрольный ответчик в целом . Вид структурной схемы приемного устройства в основном определяется типом схемы радиоприемника.

Для радиолокационной техники характерным являются три основных схемы радиоприемников: детекторная, прямого усиления и супергетеродинная.

Детекторные приемники отличаются простотой схемы и конструкции, малыми габаритами и весом, небольшим потреблением электроэнергии. Однако низкая чувствительность (порядка 10^-8 Вт) и невысокая избирательность позволяют применять такие приемники только для приема сравнительно мощных сигналов. Приемники прямого усиления благодаря наличию усилителя высокой частоты обладают лучшими чувствительностью и избирательностью. При фиксированной частоте настройки конструкция преемника достаточно проста, а основные технические показатели приемника приближаются к показателям супергетеродина. Приемник прямого усиления не имеет собственного излучения и побочных (паразитных) каналов приема.

Наиболее совершенным является супергетеродинный приемник. Он позволяет получить высокую избирательность и полосу пропускания практически любой необходимой величины: как широкую (десятки МГц), так и весьма узкую (сотни Гц). В зависимости от полосы пропускания в приемнике может быть реализована чувствительность 10^-14 ÷ 10^-20 Вт.

Если в супергетеродинном приемнике необходимо иметь узкую полосу пропускания и одновременно высокую избирательность по зеркальному каналу, применяют многократное преобразование частоты. Необходимость в многократном преобразовании частоты выявляется после того, когда станет ясно, что при выбранной с точки зрения обеспечения полосы пропускания промежуточной частоте требуемая избирательность по зеркальному каналу оказывается трудно обеспечиваемой. Многократное преобразование частоты может применяться также для облегчения корреляционно-фильтровой обработки сигнала.

Основу структурной схемы радиоприемного устройства составляет сигнальный тракт. Сигнальный тракт может быть одноканальным и многоканальным. Приемное устройство оказывается многоканальным в случаях определения угловых координат по методу мгновенной равносигнальной зоны и парциальных каналов, приема сигналов на разнесенные антенны (в моноимпульсных системах радиолокации, при реализации апертурной обработки, параллельном обзоре пространства и измерении координат многих целей и т.д.).

При проектировании и конструктивном оформлении приемника выделяют три основных блока сигнального тракта: блок высокой частоты, блок промежуточной частоты и блок низкой частоты. В свою очередь блок высокой частоты (БВЧ) включает в себя входную цепь, усилитель высокой частоты (УВЧ) и преобразователь частоты. Иногда по конструктивным соображениям к этому блоку относят также и предварительный усилитель промежуточной частоты (ПУПЧ). Блок высокой частоты обеспечивает требуемую чувствительность приемника и его избирательность по побочным каналам приема (прежде всего по зеркальному).

В состав блока промежуточной частоты входит усилитель промежуточной частоты (УПЧ) (главный усилитель), обеспечивающий основное усиление и заданную избирательность по соседнему каналу приема. В случае применения многократного преобразования частоты блок промежуточной частоты может содержать несколько усилителей, работающих на разных промежуточных частотах.

Блок низкой частоты состоит из детектора и усилителя низкой частоты (УНЧ). В зависимости от числа устройств последетекторной обработки сигналов низкочастотный блок приемника может иметь различное число каналов, включать в себя устройство интегрирования на низкой частоте, а также пороговое устройство. Элементы структурной схемы сигнального тракта по своему предназначению одинаковы при различных входных сигналах. Однако в случае сложных сигналов, когда осуществляется их оптимальная обработка, обычная супергетеродинная схема дополняется новыми элементами: согласованным фильтром либо коррелятором.

Кроме блоков сигнального тракта, приемное устройство может содержать вспомогательные системы: автоматическую подстройку частоты (АПЧ), автоматическую регулировку усиления (АРУ), помехозащиту и блок питания.

Приемное устройство является составной частью контрольного ответчика. Поэтому электрические характеристики, особенности схемы и конструкции приемника должны определяться в соответствии с тактико-техническими и конструктивными особенностями ответчика в целом.

С учетом анализа особенностей различных схем построения приемных устройств, а также требований, предъявляемых к контрольному ответчику, таких как чувствительность приемника и его динамический диапазон, целесообразно радиоприемное устройство контрольного ответчика строить по супергетеродинной схеме.

3. Оценка выбора значения промежуточной частоты

При выборе промежуточной частоты необходимо исходить из следующих соображений:

1.  Промежуточная частота должна лежать вне диапазона принимаемых частот и возможно дальше отстоять от границ этого диапазона.

2.  Должна обеспечивать заданное ослабление зеркального и соседнего каналов приема.

3.  Должна обеспечивать необходимую полосу пропускания приемника.

4.  Должна обеспечивать возможность конструктивной реализации затухания контуров межкаскадных цепей

ƒ_ПР ≤ (0,8 ÷ 1,2 ) П / d_К(1)

где d_К – собственное затухание контуров УПЧ.

В радиоприемниках непрерывных сигналов промежуточная частота должна удовлетворять условие ƒ_ПР ≥(10 ÷ 20) F_МАКС , где F_МАКС – максимальная частота модуляции принимаемого сигнала.

Для импульсных сигналов с длительностью τ_И , кроме того должно выполняться условие

ƒ_ПР ≥(10 ÷ 20) / τ_И (2)

обеспечивающее хорошее воспроизведение формы сигнала.

При уточнении промежуточной частоты следует учитывать, что более низкая промежуточная частота позволяет:

- получить меньший коэффициент шума в УПЧ, что важно для приемников сантиметровых и миллиметровых волн, не имеющих УВЧ;

- повысить коэффициент устойчивого усиления и стабильность работы УПЧ;

- снизить величину изменений показателей УПЧ (коэффициента усиления, полосы пропускания) при смене ламп;

- легче реализовать усилитель с узкой полосой пропускания.

С увеличением промежуточной частоты:

- лучше выполняются соотношения

ƒ_ПР ≥(5 ÷ 10) ƒ_{М МАКС} и ƒ_ПР ≥(10 ÷ 20) / τ_И

- повышается подавление зеркального и других побочных каналов приема;

- уменьшается влияние шумов гетеродина на чувствительность радиоприемника, что существенно в приемниках без УВЧ, работающих в диапазоне сантиметровых волн;

- облегчается получение широких полос пропускания в УПЧ;

-облегчаются условия надежной работы системы АПЧ гетеродина;

- уменьшаются габариты контуров УПЧ.

Если значения промежуточной частоты, определяемой из разных требований (например, фильтрация промежуточной частоты и полоса пропускания), оказываются существенно различными, то необходимо применять двойное преобразование частоты. Двойное преобразование применяется также при повышенных требованиях к подавлению помех по соседнему и зеркальному каналам приема. В таком усилителе тракт первой промежуточной частоты имеет относительно небольшое усиление и избирательность. Задачей главного усилителя, настроенного на более низкую промежуточную частоту, является обеспечение основного усиления и избирательности по сигналу.

Значения промежуточных частот приемников могут быть выбраны в диапазоне от 30 кГц до 100 МГц и определяются параметрами элементов обработки радиолокационных сигналов.

С учетом приведенных рекомендаций по выбору промежуточной частоты, тактико-технических характеристик СОМ-64К, а также данных приведенных в приложении 1, можно заключить, что разработчиками контрольного ответчика была выбрана несколько заниженное значение промежуточной частоты, которая, тем не менее, обеспечивает эффективное подавление зеркального канала приема и удовлетворяющее условиям (1 и 2). Как показывают расчеты, по выражению (1):

ƒ_ПР ≤ (0,8 ÷ 1,2 ) П / d_К ≤ (0,8 ÷ 1,2 ) 5 / 0,008 ≤ 500 МГц

и по выражению (2):

ƒ_ПР ≥(10 ÷ 20) / τ_И ≥(10 ÷ 20) / 0,6 ≥ 20 МГц.

Анализ принципиальной схемы приемника контрольного ответчика СОМ-64К показывает, что при выбранной промежуточной частоте ƒ_ПР= 24,4 МГц , полосе пропускания П= 5 МГц и требуемом обеспечении нормальной работы детектора блок усилителей промежуточной частоты содержит восемь каскадов усиления, из которых первые шесть реализованы на двойках расстроенных контуров.

4. Оценка выбора полосы пропускания

Полоса пропускания приемника оказывает решающее влияние на ряд других технических показателей приемника.

При ее определении необходимо учитывать:

1.  Максимальную ширину и ширину информативной части спектра принимаемого сигнала (в случаях частотной модуляции и фазовой манипуляции).

2.  Допустимые искажения сигнала.

3.  Нестабильность частот генератора передатчика и гетеродина приемника.

4.  Вид обработки принимаемого сигнала (неоптимальная, квазиоптимальная, оптимальная).

Для приемников простых импульсных сигналов полоса пропускания П определяется по разному в зависимости от назначения приемника. В приемниках РЛС точного определения координат выбор полосы пропускания резонансного тракта производится из условия обеспечения заданного времени нарастания импульса (длительности фронта): П=(2÷4)/τ_И , где τ_И – длительность зондирующего сигнала. В приемниках РЛС обнаружения полоса пропускания резонансного тракта составляет: П=(1÷1,3)/τ_И .

При наличии нестабильности частот генератора передатчика и гетеродина приемника и доплеровского сдвига частоты сигнала, отраженного от движущейся цели, полосу пропускания приемника, в котором не имеется системы АПЧ, следует расширить на величину

∆П=F(∆ƒ_ГЕН, ∆ƒ_ГЕТ, ∆ƒ_РЕЗ, ∆ƒ_{Д. .МАКС})

где ∆ƒ_ГЕН и ∆ƒ_ГЕТ - вероятные уходы частот задающего генератора передатчика и гетеродина приемника соответственно; ∆ƒ_РЕЗ – возможная расстройка резонансного тракта приемника; ∆ƒ_{Д. .МАКС} – возможная максимальная частота Доплера.

Если в приемнике предусмотрена система АПЧ, обладающая коэффициентом автоподстройки К_АПЧ (К_АПЧ =20-30), то зависимость ∆П от ∆ƒ_ГЕН и ∆ƒ_ГЕТ уменьшается на соответствующую величину К_АПЧ раз.

Знание полосы пропускания резонансного (линейного) тракта позволяет ориентировочно определить полосы пропускания отдельных блоков приемника на основании следующих соотношений:

П_БВЧ =(5÷15) П;

П_УПЧ =(1,1÷1,2) П;

П_БНЧ =(0,7÷0,8) П.

Чем шире полоса пропускания П, тем меньше следует брать величину коэффициента в выражении для П_БВЧ , а в выражении для П_УПЧ – больше. При этом общая полоса пропускания приемника составляет:

П_ПР = П_УПЧ /[ 1+( П_УПЧ / П_БВЧ )² +( П_УПЧ / П_БНЧ )² ]^-1/2

Приемники сложных импульсных сигналов с частотной модуляцией или фазовой манипуляцией внутри импульса рассчитываются на оптимальную обработку. При оптимальной обработке с помощью согласованного фильтра, последний, как правило, устанавливается в тракте промежуточной частоты. В таком приемнике элементы резонансного тракта ( каскады усилителей высокой и промежуточной частот), расположены перед согласованным фильтром, не должны искажать спектр принимаемого сигнала. Поэтому полоса пропускания этих элементов должна в 1,2 ÷ 1,5 раз превышать ширину спектра сигнала.

Аналогичные соображения необходимо принимать во внимание при выборе полосы пропускания корреляционного приемника, в котором на входы перемножителя должны поступать усиленные сигналы без искажений.

Полоса пропускания элементов, расположенных после перемножителя, выбирается с учетом сжатия спектра принимаемого сигнала в процессе корреляционной обработки.

Для приемника сигналов непрерывного излучения ширина спектра частот определяется с учетом: индекса модуляции, максимальной частоты модуляции, максимального отклонения частоты от несущей. Далее по ширине спектра сигнала определяется полоса пропускания резонансного тракта приемника. Распределение полосы пропускания резонансного тракта приемника непрерывных сигналов производится, как и в случае приемника простых сигналов. При этом следует учитывать, что в процессе преобразования сигнала возможно сжатее его по спектру. В результате этого ширина спектра сигнала, проходящего по приемному тракту, меняется, отличаясь от спектра излучаемого (зондирующего) сигнала. Сжатие по спектру может иметь место при корреляционно-фильтровой обработке непрерывного сигнала. Тогда при выборе полос пропускания отдельных элементов резонансного тракта приемника принимаются во внимание те же соображения, что и для корреляционного приемника сложных импульсных сигналов.

Необходимая полоса пропускания супергетеродинного радиоприемника в общем случае может быть определена по формуле:

П =П_С +К_Ч (2δ _Сƒ_С + 2δ _Гƒ_Г1 +2δ _Гƒ_Г2 +2δ _Пƒ_П +2 ∆ ƒ_Д )/К_АПЧ , (3)

где П_С - ширина спектра принимаемого сигнала;

К_Ч = (0,3 ÷ 0,8) – коэффициент совпадения уходов частоты;

К_АПЧ – коэффициент автоподстройки частоты (К_АПЧ = 1 – при отсутствии автоподстройки; К_АПЧ = 10 ÷ 30 – при наличии частотной автоподстройке;

К_АПЧ = ∞ – при наличии фазовой автоподстройке.)

δ _С , δ _Г, δ _П – максимально возможные относительные уходы частоты передатчика, гетеродинов и промежуточной частоты от номинальных значений { δ _С = (3 ÷7)*10^-5; δ _Г = 5*10^-3 ÷ 10 ^-4 ; δ _П = (1 ÷5)*10^-4 ; при однократном преобразовании частоты слагаемое 2δ _Гƒ_Г2 приравнивается нулю};

∆ ƒ_Д – доплеровское смещение частоты { ∆ ƒ_Д = υ_Рƒ_С / с - при приеме сигнала от подвижного передатчика; ∆ ƒ_Д = 2 υ_Рƒ_С / с - при приеме сигнала через ретранслятор, перемещающийся относительно передатчика; υ_Р – скорость подвижного объекта; с – скорость света с =3*10⁸ м/сек}.

Ширина спектра принимаемого сигнала зависит от вида модуляции, числа каналов приема и некоторых других специфических факторов, зависящих от назначения приемника. Так как в рассматриваемом контрольном ответчике используется имульсно-временное кодирование, то зондирующим сигналом является прямоугольный радиоимпульс без внутриимпульсной модуляции. Для таких импульсных сигналов ширина спектра определяется по выражениям:

П_С = (1÷2) / τ _И – в случае отсутствия ограничений на форму импульса;

П_С = (1÷2) / t_У - в случае требований к минимальным искажениям фронта импульса.

Выполним расчет значения ширины полосы пропускания (П_РАСЧ) для контрольного ответчика по выражению (3) и сравним полученное значение с полосой пропускания приемника заданное в тактико-технических характеристиках СОМ-64К [1].

П_С = (1÷2) / τ _И =2/0,6 =3,33 МГц (для τ _И=0,6 мКс)

Примем значение коэффициент совпадения уходов частоты К_Ч = 0,8, что соответствует самому тяжелому режиму работы приемного устройства.

Первое слагаемое выражения (3) будет составлять на частоте сигнала

ƒ_С =1000МГц: 2δ _Сƒ_С = 5*10^-5*1000*10⁶ = 0,1 МГц.

Второе слагаемое выражения (3) будет составлять на частоте гетеродина при промежуточной частоте равной 25 МГц:

2δ _Гƒ_Г1 =2*10^-4* 975*10⁶ = 0,2 МГц.

Третье слагаемое выражения (3) приравниваем нулю, так как в приемнике используется однократное преобразование частоты.

Четвертое слагаемое выражения (3) будет составлять на промежуточной частоте равной 25 МГц:

2δ _Пƒ_П = 2*5*10^-4*25*10⁶ = 0,025 МГц.

Пятое слагаемое выражения (3) учитывающее доплеровское смещение частоты, вычислим для подвижного объекта летящего со скоростью 1000 м/сек :

∆ ƒ_Д = 2 υ_Рƒ_С / с = 2*1000*1000*10⁶ / 3*10⁸ = 0,07 МГц.

Отсюда, с учетом (3) окончательно получаем расчетную ширину полосы пропускания приемника для К_АПЧ = 1 ( при отсутствии автоподстройки):

П_РАСЧ = 3,33 +0,8 (0,1 +0,2 +0.025 + 0,07) = 3,65 МГц.

Полученный результат свидетельствует о том, что полоса пропускания приемного устройства в контрольном ответчике выбрана чуть больше расчетной, так как П_РАСЧ < П. Расширение полосы пропускания связано с желанием принять и усилить импульсные сигналы (радиоимпульсы) с учетом минимального искажения их фронтов, т.е. спектр такого радиоимпульса должен быть шире по сравнению с радиоимпульсом к которому ограничения на его форму не накладываются.