CC BY
100УДК 621.396.62
DOI: 10.24411/9999-046A-2020-11027
ЦИФРОВОЕ ПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО КОРОТКОВОЛНОВОГО ДИАПАЗОНА НА ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЕ
DIGITAL SHORT-WAVE RECEIVER BASED ON NATIONAL ELECTRONIC COMPONENT
Глинкин И. А., начальник лаборатории ОАО «НПК «НИИДАР» Glinkin I. A., head of laboratory of Join Stock Company «Distant Radiocommunication Scientific Research Institute»
Литвинов С. В., инженер I категории
ОАО «НПК «НИИДАР»
Litvinov S. V., Engineer of O category of Join
Stock Company «Distant Radiocommunication
Scientific Research Institute»
Мудрик Д. С., инженер
ОАО «НПК «НИИДАР»
Mudrik D. S., engineer of Join Stock Company
«Distant Radiocommunication Scientific
Research Institute»
В данных материалах представлен облик приемника прямого преобразования частоты коротковолнового диапазона на российских электронных компонентах, приведено описание и обоснование выбранной структуры построения приемного устройства и его составных частей. При разработке максимально использовались решения, позволяющие обеспечить заданные характеристики аппаратуры при минимизации ее габаритов и стоимости. Также разработка учитывает успешный опыт создания приемной аппаратуры с применением отечественной элементной базы.
These materials present the appearance of a receiver for direct frequency conversion of the short-wave range on Russian electronic components, provide a description and justification of the selected structure for constructing a receiving device and its components. During the development, solutions were used to the maximum extent that made it possible to ensure the specified characteristics of the equipment while minimizing its dimensions and cost. Also, the development takes into account the successful experience in creating receiving equipment using the domestic element base.
Ключевые слова: импортозамещение, приемник, КВ-диапазон, российские компоненты
Keywords: import substitution, receiver, HF band, Russian components
Введение
В августе 2015 года на заседании Правительства России принято решение о создании Правительственной комиссии по импортозамещению. Постановление Правительства Российской Федерации от 4 августа 2015 года № 785 «О создании правительственной комиссии по импортозамещению» и распоряжение Правительства Российской Федерации от 4 августа 2015 года № 1492-р, в котором утверждается состав комиссии, были подписаны премьер-министром Дмитрием Медведевым [1]. О необходимости преодоления критической зависимости от зарубежных технологий и промышленной продукции говорилось в Послании Президента Российской Федерации Владимира Путина Федеральному Собранию в конце 2014 года.
В марте 2015 года Минпромторг России утвердил приказ № 662 от 31.03.2015 «Об утверждении отраслевого плана мероприятий по импортозамещению в радиоэлектронной промышленности Российской Федерации». Приказ выпущен в целях реализации «Плана содействия импортозамещению в промышленности», утвержденного распоряжением Правительства Российской Федерации от 30 сентября 2014 года № 1936-р.
В настоящее время остро стоит проблема информационной безопасности в системах, использующих зарубежную элементную базу. В зоне риска вся оборонная промышленность, космические программы и многие другие технологически зависимые направления. Именно по этой причине создание аппаратуры, в частности радиоприемной, полностью на отечественной элементной базе является актуальной темой.
Технические требования на приемное устройство КВ-диапазона
Цифровое приемное устройство (ЦПУ) радиосигналов диапазона коротких волн (КВ-диапазон) предназначен для усиления, амплитудно-цифрового преобразования, цифровой фильтрации сигналов, поступивших на его входы с антенны приема, формирования массивов выходной сигнальной ин-
формации и выдачи их в вычислительный комплекс (ВК).
ЦПУ логически состоит из электронного модуля цифрового приемника, модуля опорной частоты и преобразователь питания.
Основные технические требования ЦПУ
1. ЦПУ обеспечивает одновременный прием и обработку радиосигналов в диапазоне рабочих частот 1—30 МГц.
2. Дискрет перестройки приемника по частоте 1 кГц, при точности установки рабочей частоты 0,1 Гц и времени перестройки — не более 1,0 мс.
3. Уровень спектральной плотности собственных шумов каждого приемного канала в полосе 1 Гц, приведенный к входу ЦПУ, при максимальном коэффициенте передачи канала составляет не более минус 180 дБВт/Гц.
4. Динамический диапазон по сигналу в полосе 10 кГц не менее 80 дБ.
5. Подавление по зеркальному каналу частоты квантования АЦП не менее 80 дБ.
6. Относительный уровень интермодуляционных помех при воздействии двух сигналов максимального уровня на входе АЦП не более минус 80 дБ.
7. Электропитание устройства осуществляется от сети напряжением 220 В и частотой 50 Гц.
Цифровой приемник
Основа цифрового приемного канала — аналого-цифровые преобразователи (АЦП, Analog-to-digital converter, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Современные быстродействующие АЦП и цифровые конверторы (DDC) позволяют реализовать приемный канал с преобразованием в цифровой код на рабочей частоте с последующим цифровым преобразованием на нулевую частоту и предварительной цифровой фильтрацией в DDC. Функции DDC — преобразование информативного спектра частот в область низких (нулевых) частот, квадратурная фильтрация и децимация отсчетов сигнала. По реализуемым функциям — это цифровой приемник прямого преобразования. DDC имеет два перемножителя, генератор отсчетов SIN и COS, идентичные каналы НЧ децимирующих фильтров. Частота настройки внутреннего генератора может изменяться в диапазоне от нуля до половины тактовой частоты DDC. Частота среза фильтров изменяется от сотен Гц до сотен кГц. Процессор производит децимацию отсчетов сигнала для того, чтобы скорость потока данных с выхода DDC была сообразна ширине спектра выходного сигнала [2].
Современные 16-разрядные АЦП с полосой пропускания в сотни мегагерц и скоростью преобразования свыше 100 МГц позволяют реализовать качественный цифровой приемник для работы в декаметровом и длинноволновой части метрового диапазона радиоволн. На подобный цифровой приемник получен патент на полезную модель № 93604 «Приемник прямого цифрового преобразования» [3].
В настоящее время с развитием элементной базы и технологий цифровой обработки сигналов появились образцы коротковолновых цифровых приемников, в которых 14—16-разрядный быстродействующий АЦП стоит сразу после широкополосного УВЧ, а канальная фильтрация производится DDC, реализованной на программируемой логической интегральной микросхеме (ПЛИС). Такая архитектура резко упрощает и удешевляет производство связной и пеленгационной КВ-ап-паратуры.
Структурная схема ЦПУ
Приведенные выше примеры цифровых приемных устройств различных производителей реализованы полностью на импортной элементной базе. Такая же ситуация в подавляющем большинстве наблюдалась и в отечественных разработках. В последние несколько лет отмечено повышение применения отечественной элементной базы, в особенности пассивных компонентов (резисторов, конденсаторов и т. д.), однако и отечественные микросхемы непрерывно совершенствуются и способны конкурировать с ведущими иностранными производителями.
В разработках ОАО «НПК «НИИДАР» схожая ситуация с применением отечественной и иностранной элементной баз. За время многолетнего проектирования и разработок приемных устройств для различных радиолокационных устройств выведена уникальная универсальная формула приемника, который адаптируется под конкретные технические требования. В частности, получен патент на полезную модель № 156737 «Многоканальный многочастотный цифровой радиолокационный приемник» [4]. С развитием отечественной электронной промышленности появилась возможность реализовать эти проверенные временем решения полностью на отечественной элементной базе.
Работа и взаимодействие блоков в ЦПУ поясняется по структурной схеме, приведенной на рис. 1.
Приемный канал построен по схеме с преобразованием в цифровой код на несущей частоте. На вход цифрового приемника поступает входной сигнал Ес от АФУ, сигнал опорной частоты
Антенна
~220 В
50 Гц
Узел ИЭП
AC DC 3,3 В 3,3 В
5 В
AC DC 5 В
Узел приемника
АЦП
DDC
DSP
Контр.
ППЗУ
ВК
Опорный сигнал
D--
Узел ОС
Кварцевый генератор стабильной частоты
Рис. 1. Структурная схема ЦПУ
Рис. 2. Внешний вид двухканального ЦПУ с применением отечественной элементной базы
FT = 96 МГц (выбирается на этапе разработки). В цифровом приемнике одновременно в рабочем диапазоне частот осуществляются фильтрация, усиление, аналого-цифровое преобразование, децимация и предварительная цифровая фильтрация на рабочей частоте настройки. Аналоговый тракт включает в себя антенный ввод и фильтры на входе АЦП.
Цифровой тракт состоит из 14-разрядного АЦП 5101НВ015 фирмы «Миландр» или 16-разрядного АЦП К5111НВ015 фирмы АО «НИИМА «Прогресс», ПЛИС (аналог Cyclone III (фирма Altera) ПЛИС 5578ТС094 фирмы АО «ВЗПП-С»), реализующей функции DDC, обеспечивающего
настройку на заданную рабочую частоту и предварительную фильтрацию, и сигнального процессора 1967ВН028 фирмы «Миландр» или 1967ВН044 фирмы «Миландр» (DSP). Быстродействующие сигнальные процессоры, на которых реализуются алгоритмы полосовой фильтрации, амплитудно-фазовой коррекции и др., стоят в каждом канале приемного устройства. ППЗУ 1636РР1У фирмы «Миландр». Все пассивные компоненты и разъемы отечественных производителей.
Съем информации и управление параметрами цифрового тракта осуществляется через шину (возможны различные варианты, например, по протоколу Ethernet, USB 2.0 или RS-232).
В качестве основного опорного генератора используется малошумящий прецизионный кварцевый генератор ГК200-ТС, частота которого равна 10 МГц. Из частоты 10 МГц на основе системы фазовой автоподстройки частоты с делителем частоты в цепи обратной связи формируется опорная частота = 96 МГц, используемая в приемном тракте для запуска АЦП, DDC.
Первичное электропитание аппаратуры осуществляется однофазным переменным напряжением (220 ± 22) В с частотой (50 ± 2,5) Гц. Требования к первичной сети определяются техническими характеристиками вторичных источников питания, требованиями по безопасной эксплуатации оборудования, стандартами электробезопасности, суммарным потреблением ЦПУ.
Процесс перехода от иностранной элементной базы к отечественной не может быть резким и одномоментным. Работы по освоению компонентов российского производства ведутся в течение нескольких лет. Так, уже разработано и реализовано двухканальное ЦПУ КВ-диапазона, в котором более 50 % отечественных компонентов. На рис. 2 представлен внешний вид этого ЦПУ.
Заключение
1. Стремительное развитие микроэлектронной цифровой и аналого-цифровой элементной базы и появление новых компонентов позволяет выполнить высококачественный приемник на основе цифровых принципов обработки радиосигнала с использованием отечественной элементной базы, что обеспечивает информационную безопасность ЦПУ.
Предложенные решения позволяют реализовать все поставленные в исходных данных требования к аппаратуре приема и обработки сигналов.
2. Обоснованы новые технические решения:
— переход от супергетеродинного приемника к цифровому преобразованию сигнала на несущей частоте;
— построение широкополосного приемного канала цифровым преобразованием на нулевую частоту и предварительной цифровой фильтрацией.
Список литературы
1. Постановление Правительства Российской Федерации от 4 августа 2015 года № 785, распоряжение от 4 августа 2015 года № 1492-р «О создании Правительственной комиссии по импортозамещению и ее составе». Доступ по ссылке: http://government.ru/docs/19160/
2. Вахрушев С. В. Проектирование и реализация радиоприемного устройства с прямым цифровым преобразованием частоты КВ-диапазона // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 1. Ч. 1. — С. 107—116.
3. Патент на полезную модель № 93604 «Приемник прямого цифрового преобразования» / Б. А. Арансон, Ю. М. Власов, И. А. Глинкин, В. В. Панкин, Ю. В. Махалин, Б. А. Картышев и др.
4. Патент на полезную модель № 156737 «Многоканальный многочастотный цифровой радиолокационный приемник» / Б. А. Арансон, Ю. М. Власов, И. А. Глинкин, В. В. Панкин, Ю. В. Махалин.
