АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ МОДУЛЬ

Название	АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ МОДУЛЬ
Разработчик (Авторы)	Гелесев А.И., Гурский С.М., Егоров Б.М., Панов С.Л., Сапрыкин С.Д., Ювченко И.В.
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2146076
Дата регистрации	28.07.1997
Правообладатель	Московское высшее училище радиоэлектроники ПВО
Область применения (класс МПК)	H03M 1/00 (2000.01) H03M 1/12 (2000.01)
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Изобретение относится к области цифровой пространственно-временной обработки сигналов в радиотехнических устройствах и может быть использовано в цифровых антенных решетках.

Известен аналого-цифровой модуль [1 рис. 22.5, б], содержащий малошумящий усилитель (МШУ), смеситель, усилитель промежуточной частоты (УПЧ), фильтр. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и коммутатор, вход которого соединен с выходом АЦП, первый вход которого соединен с входом сигнала синхронизации модуля, а второй вход - с выходом фильтра, вход которого соединен с выходом смесителя, первый вход которого соединен с входом сигнала первого гетеродина, а второй - с выходом МШУ, вход которого соединен с входом излучателя модуля, выходы которого соединены с соответствующими выходами коммутатора.

Недостатком данного модуля является невозможность обработки широкополосных сигналов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является аналого-цифровой модуль [1, рис. 22.5, а], содержащий два АЦП, два синхронно фазовых детектора (СФД), делитель, постоянный фазовращатель на 90^o, фильтр, УПЧ, смеситель, МШУ, вход которого соединен с входом излучателя модуля, а выход - с первым входом смесителя, второй вход которого соединен с входом первого гетеродина модуля, выход смесителя соединен с входом УПЧ, выход которого соединен с входом фильтра, выход которого соединен с входом делителя, первый выход которого соединен с первым входом первого СФД, выход которого соединен с первым входом первого АЦП, выход которого соединен с первым выходом модуля, второй выход которого соединен с выходом второго АЦП, первый вход которого соединен с выходом второго СФД, первый вход которого соединен с вторым выходом делителя, вторые входы обоих АЦП объединены и соединены с входом порогового сигнала модуля, вход второго гетеродина которого соединен с вторым входом первого СФД и входом постоянного фазовращателя на 90^o, выход которого соединен с вторым входом второго СФД.

Недостатком данного аналого-цифрового модуля является низкое отношение сигнал - шум при обработке широкополосных сигналов.

Целью изобретения является повышение отношения сигнал - шум при обработке широкополосных сигналов.

Поставленная цель достигается тем, что в аналого-цифровой модуль, содержащий два АЦП, два СФД, делитель, постоянный фазовращатель на 90^o, фильтр спектральных составляющих, УПЧ, смеситель и МШУ, вход которого соединен с входом излучателя модуля, а выход - с первым входом смесителя, второй вход которого соединен с входом первого гетеродина модуля, выход смесителя соединен с входом УПЧ, выход которого соединен с входом фильтра спектральных составляющих, вход постоянного фазовращателя на 90^o соединен с входом второго гетеродина модуля, введены два цифровых сумматора, две группы АЦП по (m-1) АЦП в каждой группе, где m - количество участков спектра, на которое разделен спектр широкополосного сигнала, две группы СФД по (m-1) детекторов в каждой, два блока, управляемых фазовращателей, (m-1) делителей и m фильтров деления, входы которых объединены и соединены с выходом фильтра спектральных составляющих, выход i-го фильтра деления  соединен с входом i-го делителя, первый выход i-го делителя соединен с вторым входом i-го СФД первой группы, выход которого соединен с вторым входом i-го АЦП первой группы, выход которого соединен с i-м входом первого цифрового сумматора, выход которого соединен с первым выходом модуля, второй выход которого соединен с выходом второго цифрового сумматора, i-й вход которого соединен с выходом i-го АЦП второй группы, второй вход которого соединен с выходом i-го СФД второй группы, второй вход которого соединен с вторым выходом i-го делителя, первый вход i-го СФД первой группы соединен с i-м выходом первого блока управляемых фазовращателей, вход которого соединен с выходом постоянного фазовращателя на 90^o, вход которого соединен с входом второго блока управляемых фазовращателей, i-й выход которого соединен с первым входом i-го СФД второй группы, первые входы всех АЦП обеих групп объединены и соединены с входом порогового сигнала модуля, причем каждый блок управляемых фазовращателей содержит m управляемых фазовращателей, выход i-го управляемого фазовращателя соединен с i-м выходом блока, вход которого соединен с объединенными входами всех управляемых фазовращателей.

Введение указанных элементов и соответствующих связей позволяет повысить отношение сигнал-шум при обработке широкополосных сигналов. В других известных технических решениях отсутствуют подобные признаки в их общей совокупности.

На фиг. 1 представлена схема аналого-цифрового модуля, на фиг. 2 - схема блока управляемых фазовращателей. Аналого-цифровой модуль содержит МШУ 1, смеситель 2, УПЧ 3, фильтр 4 спектральных составляющих, группу 5 из m фильтров деления, группу 6 из m делителей, постоянный фазовращатель 7 на 90^o, два бока 8 и 9 управляемых фазовращателей, две группы 10 и 11 СФД, состоящих из m детекторов каждая, две группы 12 и 13 АЦП, состоящих из m АЦП каждая и два цифровых сумматора 14 и 15. Каждый блок управляемых фазовращателей содержит m управляемых фазовращателей 16. Вход МШУ 1 соединен с входом излучателя модуля, а выход - с первым входом смесителя 2, второй вход которого соединен с входом первого гетеродина модуля, выход смесителя 2 соединен с входом УПЧ 3, выход которого соединен с входом фильтра 4 спектральных составляющих, вход постоянного фазовращателя 7 на 90^o соединен с входом второго гетеродина модуля, входы всех m фильтров 5 деления объединены и соединены с выходом фильтра 4 спектральных составляющих, выход i-го фильтра 5_i деления  соединен с входом i-го делителя 6_i, первый выход которого соединен с вторым входом i-го СФД 10_i первой группы, выход которого соединен с вторым входом i-го АЦП 12_i первой группы, выход которого соединен с i-м входом первого цифрового сумматора 14, выход которого соединен с первым выходом модуля, второй выход которого соединен с выходом второго цифрового сумматора 15, i-й вход которого соединен с выходом i-го АЦП 13_i второй группы, второй вход которого соединен с выходом i-го СФД 11_i второй группы, второй вход которого соединен с вторым выходом i-го делителя 6_i, первый вход i-го СФД 10_i первой группы соединен с i-м выходом первого блока 8 управляемых фазовращателей, вход которого соединен с выходом постоянного фазовращателя 7 на 90^o, вход которого соединен с входом второго блока 9 управляемых фазовращателей, i-й выход которого соединен с первым входом i-го СФД 11_i второй группы, первые входы всех АЦП 12 и 13 обеих групп объединены и соединены с входом порогового сигнала модуля, причем, каждый блок 8 (9) управляемых фазовращателей содержит m управляемых фазовращателей 16, выход i-го управляемого фазовращателя 16 соединен с i-м выходом блока 8 (9), вход которого соединен с объединенными входами всех управляемых фазовращателей 16.

Аналого-цифровой модуль работает следующим образом. Цифровая антенная решетка состоит из трех частей [2, стр. 452], выполняющих различные функции: решетки излучателей, обеспечивающей прием высокочастотных сигналов из части пространства, ограниченной диаграммой направленности излучателя; набора аналого-цифровых модулей, преобразующих принятые высокочастотные сигналы в цифровой код, и системы формирования диаграмм направленности. Решетка излучателей по своему построению является дискретной системой, поэтому возбуждаемые в излучателях колебания являются дискретными выборками пространственной волны. Каждое колебание, попадая в аналого-цифровой модуль своего канала, представленный на фиг. 1, подвергается временной дискретизации и преобразуется в последовательность временных выборок.

Колебания выхода излучателя своего канала подаются на вход МШУ 1, который повышает уровень сигнала до величины, достаточной для его дискретизации. Сигнал с выхода МШУ 1 поступает на первый вход смесителя, который преобразует сигнал на промежуточную частоту, достаточную для его оцифровки. Затем сигнал усиливается в УПЧ 3 и с помощью фильтра 4 спектральных составляющих очищается от дополнительных спектральных составляющих, возникающих при преобразовании частоты. С выхода фильтра 4 спектральных составляющих сигнал можно бы подавать для дискретизации и сложения его от каждого излучателя. Для узкополосного сигнала временной сдвиг τ_зап между наиболее удаленными излучателями значительно меньше величины  обратной ширине спектра

поэтому сигналы можно принимать и складывать когерентно с любого направления в пределах сектора обзора цифровой антенной решетки.

При приеме широкополосного сигнала

за счет различного набега фаз Δϕ_i
Δϕ_i= 2π(f_o+Δf_i)τ_запi (2)
неодинаковых спектральных составляющих участки спектра принимаемого сигнала не будут складываться когерентно. Следовательно, отношение сигнал-шум на выходе системы уменьшается.

Поэтому для увеличения отношения сигнал-шум спектр широкополосного сигнала делится на m участков

где Δf_c′i - участок ширины спектра широкополосного сигнала, для которого выполняется условие (1) узкополосности.

Деление спектра Δf_c широкополосного сигнала на участки Δf_c′i производится с помощью m фильтров 5 деления, полоса пропускания каждого из которых определяется условием (1) узкополосности. Для избежания эффекта, когда амплитуды выборок будут малы, сигнал делят на две квадратурные составляющие - синусную и косинусную, связанные с исходным сигналом соотношением
Acos(ωt+ϕ) = Bcosωt+Csinωt,
где B = cosϕ ; C = sinϕ ,
а затем оцифровывают амплитуды каждой из этих составляющих. Причем при обработке широкополосных сигналов деление на квадратурные составляющие производится для каждого участка разделенного спектра.

Разделение на две квадратуры, определяющие амплитуду и фазу колебания, осуществляется СФД 10 и 11, на вторые входы которых сигнал поступает с выходов соответствующих делителей 6. На первые входы СФД 10 и 11 подводятся сигналы второго гетеродина, имеющего частоту, равную частоте основного сигнала, сдвинутые с помощью постоянного фазовращателя 7 на 90^o относительно друг друга по фазе на 90^o. Кроме того, с помощью блоков 8 (9) управляемых фазовращателей фаза сигнала второго гетеродина на каждом выходе каждого блока 8 (9) изменяется на величину Δf_c′i , зависящую от положения фронта входного сигнала и номера участка спектра, т.е. фаза сигнала второго гетеродина подстраивается на каждый участок спектра широкополосного сигнала и компенсирует набег фаз.

С выхода СФД 10 и 11 разделенный на амплитуду и фазу принимаемый сигнал поступает на соответствующую группу АЦП 12 и 13, где производится его оцифровывание. Причем, оцифровывание осуществляется раздельно для участка Δf_c′i спектра широкополосного сигнала. Цифровой код с выходов соответствующих АЦП 12 и 13 поступает на соответствующие входы соответствующих цифровых сумматоров 14 и 15, где производится суммирование цифровых кодов каждого участка спектра. В результате с выхода аналого-цифрового модуля выдается цифровой код амплитуды и фазы принимаемого широкополосного сигнала.

При приеме и обработке узкополосного сигнала Δf_i→ 0 , выражение (2) будет равно
Δf_i= 2πf_oτ_запi
и одинаково для всех излучателей, а количество участков m из уравнения (3) будет равно одному, так как f_c′i= Δf_c. Аналого-цифровой модуль будет обрабатывать только один участок спектра как весь спектр узкополосного сигнала.

Таким образом, предлагаемый аналого-цифровой модуль может принимать и обрабатывать как узкополосные, так и широкополосные сигналы, а введенные новые элементы позволяют повысить отношение сигнал-шум на выходе модуля при обработке широкополосного сигнала за счет разделения спектра широкополосного сигнала на участки, удовлетворяющие условию узкополосности и когерентного сложения сигналов от каждого направления.

Формула изобретения

Аналого-цифровой модуль, содержащий два аналого-цифровых преобразователя (АЦП), два синхронных фазовых детектора (СФД), делитель, постоянный фазовращатель на 90^o, фильтр спектральных составляющих, усилитель промежуточной частоты (УПЧ), смеситель и входной малошумящий усилитель (МШУ), вход которого соединен с входом излучателя модуля, а выход - с первым входом смесителя, второй вход которого соединен с входом первого гетеродина модуля, выход смесителя соединен с входом УПЧ, выход которого соединен с входом фильтра спектральных составляющих, вход постоянного фазовращателя на 90^o соединен с входом второго гетеродина модуля, отличающийся тем, что в него введены два цифровых сумматора, две группы АЦП по (m - 1) АЦП в каждой группе, где m - количество участков спектра, на которые разделен спектр широкополосного сигнала, две группы СФД по (m - 1) детекторов в каждой группе, два блока управляемых фазовращателей, (m - 1) делителей и m фильтров деления, входы которых объединены и соединены с выходом фильтра спектральных составляющих, выход i-го фильтра деления  соединен с входом i-го делителя, первый выход которого соединен с вторым входом i-го СФД первой группы, выход которого соединен с вторым входом i-го АЦП первой группы, выход которого соединен с i-ым входом первого цифрового сумматора, выход которого соединен с первым выходом модуля, второй выход которого соединен с выходом второго цифрового сумматора, i-й вход которого соединен с выходом i-го АЦП второй группы, второй вход которого соединен с выходом i-го СФД второй группы, второй вход которого соединен с вторым выходом i-го делителя, первый вход i-го СФД первой группы соединен с i-ым выходом первого блока управляемых фазовращателей, вход которого соединен с выходом постоянного фазовращателя на 90^o, вход которого соединен с входом второго блока управляемых фазовращателей, i-й выход которого соединен с первым входом i-го СФД второй группы, первые входы всех АЦП обеих групп объединены и соединены с входом порогового сигнала модуля, причем каждый блок управляемых фазовращателей содержит m управляемых фазовращателей, выход i-го управляемого фазовращателя соединен с i-ым выходом блока, вход которого соединен с объединенными входами всех управляемых фазовращателей.

Изобретение "АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ МОДУЛЬ" (Гелесев А.И., Гурский С.М., Егоров Б.М., Панов С.Л., Сапрыкин С.Д., Ювченко И.В.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога