УНИВЕРСАЛЬНЫЙ КОРОТКОВОЛНОВОЙ ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИК

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам телекоммуникаций, а именно к средствам коротковолновой радиосвязи.
Предлагаемое устройство может быть использовано для организации сетей и систем коротковолновой связи, обеспечивающих связь на большие расстояния при отсутствии доступа к ресурсам фиксированных, подвижных, в том числе спутниковых информационно-телекоммуникационных сетей, в районах Крайнего Севера и в других труднодоступных районах, а также для связи с подвижными объектами. Его можно использовать в военном деле, в любительской коротковолновой радиосвязи, радиоспорте, для дальнего радиовещательного приема, в геологии, в геодезии, в строительстве и в других областях.
В качестве прототипа выбран приемопередатчик коротковолнового диапазона для телеграфии и сигналов с одной боковой полосой (ОБП) частот (CW/SSB), описанный в книге: Ред. Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. М: «Мир», 1990, на с. 88, см. рис. 2.13. Данное устройство также представляет собой коротковолновый приемопередатчик.
Недостатками устройства-прототипа являются:
- работа в узкой полосе заданных диапазонов частот;
- отсутствие возможности синхронного приема станций с амплитудной модуляцией (АМ-станций);
- отсутствие возможности раздельного приема верхней или нижней боковых полос сигнала с амплитудной модуляцией (АМ-сигнала) в наименьшей степени пораженных помехами;
- отсутствие возможности панорамного контроля окружающей обстановки в эфире, а также частотного спектра передаваемых и принимаемых сигналов;
- отсутствие возможности организации дополнительного цифрового канала приема;
- избыточное количество фильтров, усилителей, преобразователей частоты в трактах приема и передачи;
- отсутствие цифрового отображения частоты настройки;
- отсутствие работы на передачу в режиме с одной боковой полосой частот.
Целью предлагаемой полезной модели является создание такого универсального коротковолнового приемопередатчика, который обеспечивает работу на любой частоте коротковолнового диапазона от 1,5 МГц до 30 МГц (всеволновую работу), имеет возможность синхронного приема АМ-станций, раздельного приема верхней или нижней боковых полос АМ-сигнала в наименьшей степени пораженных помехами, осуществляет панорамный контроль окружающей обстановки в эфире и контроль частотного спектра передаваемых и принимаемых сигналов, имеет цифровое отображение частоты настройки, позволяет вести связь в режиме с одной боковой полосой частот, а также имеет оптимизированное количество фильтров, усилителей, преобразователей частоты в трактах приема и передачи, обеспечивает организацию дополнительного цифрового канала приема.
Предлагаемый универсальный коротковолновый приемопередатчик найдет широкое применение при организации коротковолновой связи и дальнего радиовещательного приема.
Для достижения поставленной цели предлагается использовать универсальный коротковолновый приемопередатчик, содержащий как и прототип, первый усилитель, фильтр передачи, перестраиваемый преселектор, первый смеситель, селективный усилитель, задающий генератор, второй смеситель, низкочастотный фильтр, низкочастотный усилитель» переключатель S1.1 (в прототипе TX/RX), причем двунаправленный интерфейс приемопередатчика «Антенна» связан с третьим контактом переключателя S1.1, выход первого усилителя связан с входом фильтра передачи, а выход фильтра передачи соединен с первым контактом переключателя S1.1, второй выход первого смесителя подан на первый вход селективного усилителя, первый выход второго смесителя соединен с входом низкочастотного фильтра, а выход низкочастотного фильтра подан на вход низкочастотного усилителя, выход которого идет на выход приемопередатчика «Наушники», а первый выход задающего генератора соединен с третьим входом первого смесителя, дополненный преобразователем, блоком интерфейса ПК, третьим смесителем, формирователем, контроллером, индикатором, выключателями S2, S3, S4, фильтрами верхней боковой полосы частот, нижней боковой полосы частот, средней полосы частот, сумматором, вторым усилителем, переключателем S5, управляемым генератором, третьим фильтром, переключатель S1.1 дополнен контактными группами S1.2…S1.5, первый смеситель, селективный усилитель, третий смеситель выполнены двунаправленными (реверсивными), причем, первый вход перестраиваемого преселектора связан с третьим контактом переключателя S1.2, второй контакт которого соединен со вторым контактом переключателя S1.1, а первый контакт переключателя S1.2 соединен с первым выходом первого смесителя, первый вход которого связан с вторым контактом переключателя S1.3, первый вход преобразователя соединен с первым контактом переключателя S1.1 и выходом фильтра передачи, вход первого усилителя соединен с первым контактом переключателя S1.3, второй выход первого смесителя соединен с вторым входом преобразователя, двунаправленный интерфейс преобразователя соединен с блоком интерфейса ПК, имеющим двунаправленный интерфейс в сторону внешнего ПК, второй выход селективного усилителя подан на первый вход третьего смесителя, а первый выход этого смесителя соединен с вторым входом селективного усилителя, первый выход этого усилителя связан со вторым входом первого смесителя, второй вход третьего смесителя связан с первым контактом переключателя S1.5, второй выход третьего смесителя соединен с вторым контактом переключателя S1.4, первый контакт которого связан с выходом формирователя, а третий контакт этого переключателя соединен с первыми контактами выключателей S2, S3, S4, второй контакт выключателя S2 подан на вход фильтра верхней боковой полосы частот, выход которого подан на первый вход сумматора, второй контакт выключателя S3 соединен с входом фильтра средней полосы частот, выход которого подан на второй вход сумматора, а второй контакт выключателя S4 связан с входом фильтра нижней боковой полосы частот, выход которого подан на третий вход сумматора, выход сумматора соединен с третьим контактом переключателя S1.5, второй контакт которого связан с входом второго усилителя, а выход этого усилителя подан на вход второго смесителя, второй выход второго смесителя связан с входом третьего фильтра, выход третьего фильтра подан на вход управляемого генератора, выход которого соединен со вторым контактом переключателя S5, а третий выход второго смесителя соединен с третьим контактом переключателя S5, первый контакт которого соединен с третьим выходом задающего генератора, который также подан на первый вход формирователя, вход приемопередатчика «Микрофон» связан с вторым входом формирователя, а вход приемопередатчика «Ключ» соединен с третьим входом формирователя, второй выход задающего генератора соединен с третьим входом третьего смесителя.
На Фиг. 1 приведена структура предлагаемого универсального коротковолнового приемопередатчика, где:
1 - преобразователь;
2 - блок интерфейса ПК;
3 - первый усилитель;
4 - фильтр передачи;
5 - перестраиваемый преселектор;
6 - первый смеситель;
7 - селективный усилитель;
8 - третий смеситель;
9 - задающий генератор;
10 - формирователь;
11 - фильтр верхней боковой полосы частот;
12 - фильтр средней полосы частот;
13 - фильтр нижней боковой полосы частот;
14 - сумматор;
15 - контроллер;
16 - индикатор;
17 - второй усилитель;
18 - второй смеситель;
19 - управляемый генератор;
20 - третий фильтр;
21 - низкочастотный фильтр;
22 - низкочастотный усилитель;
S1.1…S1.5 - переключатель режимов работы прием/передача;
S2, S3, S4 - выключатели режимов полосы пропускания;
S5 - переключатель режимов работы: одна боковая полоса, телеграф («ОБП, ТЛГ»)/амплитудная модуляция («АМ»).
Назначение элементов структуры предлагаемого универсального коротковолнового приемопередатчика следующее:
- преобразователь 1 предназначен для преобразования радиочастотных сигналов в поток значений комплексного цифрового сигнала и передачи этого потока в компьютер по высокоскоростному двунаправленному интерфейсу;
- блок интерфейса ПК 2 предназначен для организации связи с внешним ПК осуществляющим обработку потока значений комплексного цифрового сигнала, управление режимами преобразователя, отображение панорамного изображения окружающей обстановки в эфире, а также частотного спектра передаваемых и принимаемых сигналов, организацию дополнительного перестраиваемого канала приема;
- первый усилитель 3 предназначен для усиления мощности передаваемого сигнала;
- фильтр передачи 4 предназначен для ослабления внеполосных излучений;
- перестраиваемый преселектор 5 предназначен для всеволновой селекции сигналов приема и передачи, ослабления побочного канала 1 -й промежуточной частоты, ослабления зеркального канала первого преобразования;
- первый смеситель 6 предназначен для двунаправленного преобразования частоты входного сигнала на первую промежуточную частоту и преобразования частоты передаваемого сигнала с первой промежуточной частоты на рабочую частоту;
- селективный усилитель 7 предназначен для избирательного усиления сигналов первой промежуточной частоты в режимах приема и передачи, а также для ослабления зеркального канала второго преобразования;
- третий смеситель 8 предназначен для двунаправленного преобразования сигналов приема с первой на вторую промежуточную частоту и сигналов передачи со второй на первую промежуточную частоту;
- задающий генератор 9 предназначен для формирования сигналов первого, второго и третьего гетеродинов с высокой стабильностью частоты;
- формирователь 10 предназначен для формирования сигналов используемых классов излучений;
- фильтр верхней боковой полосы частот 11 предназначен для основной селекции верхней боковой полосы частот;
- фильтр средней полосы частот 12 предназначен для основной селекции средней (телеграфной) полосы частот;
- фильтр нижней боковой полосы частот 13 предназначен для основной селекции нижней боковой полосы частот;
- сумматор 14 предназначен для объединения сигналов раздельно включаемых фильтров;
- контроллер 15 предназначен для управления синтезаторами частот задающего генератора, управления цифровым отображением рабочей частоты, управления всеволновой перестройкой преселектора, обработки сигналов от ручки настройки и клавиатуры;
- индикатор 16 предназначен для цифрового отображения рабочей частоты;
- второй усилитель 17 предназначен для обеспечения чувствительности приемного тракта;
- второй смеситель 18 предназначен для формирования звуковых биений при приеме телеграфных сигналов, для восстановления несущей при приеме ОБП сигналов, для синхронного приема АМ-сигналов, для выделения сигнала частотно-фазового рассогласования в системе ФАПЧ синхронного детектора;
- управляемый генератор 19 предназначен для синхронного приема АМ-сигналов;
- третий фильтр 20 предназначен для работы в петле фазовой автоподстройки частоты синхронного детектора;
- низкочастотный фильтр 21 предназначен для низкочастотной обработки принимаемого сигнала;
- низкочастотный усилитель 22 предназначен для усиления сигнала в звуковой полосе частот;
- переключатель режимов работы прием/передача S1.1…S1.5 предназначен для коммутации цепей при переходе из режима приема в режим передачи;
- выключатели режимов полосы пропускания S2, S3, S4 предназначены для коммутации цепей фильтров в соответствующих режимах полосы пропускания;
- переключатель режимов работы S5 предназначен для коммутации цепей в режимах работы: одна боковая полоса, телеграф («ОБП, ТЛГ») / амплитудная модуляция («АМ»).
Принцип действия предлагаемого универсального коротковолнового приемопередатчика.
Основная техническая сущность предлагаемой полезной модели имеет две стороны:
- одна сторона технической сущности предлагаемого устройства выражается в том, что кроме всеволновой работы в качестве приемопередатчика телеграфных и однополосных сигналов во всем коротковолновом (KB) диапазоне оно позволяет осуществлять прием радиовещательных и других АМ-станций (с традиционной двухполосной амплитудной модуляцией) при селекции одной боковой полосы с применением синхронного детектирования. Это позволяет существенно повысить помехоустойчивость такого приема за счет того, что по усмотрению оператора может быть произведена режекция (вырезание) той боковой полосы частот передаваемого сигнала, которая в наибольшей степени поражена помехами без ухудшения разборчивости принимаемого речевого сигнала. Фактически предлагаемое устройство преобразует принимаемый сигнал в сигнал с однополосной модуляцией и детектирует этот сигнал даже при сильных замираниях. Для осуществления такого принципа приема устройство дополнено коммутируемой системой фильтров основной селекции верхней и нижней боковых полос частот, а также средней полосы. Эта система построена таким образом, что можно включать либо все полосы совместно, либо включать любые из них по отдельности. Кроме этого устройство дополнено системой синхронного приема, осуществляющей фазовую автоподстройку частоты (ФАПЧ) специального третьего гетеродина (управляемого генератора 19), работающего на второй промежуточной частоте, под значение несущей частоты принимаемого сигнала, то есть в предлагаемом устройстве производится восстановление несущей частоты по ее даже незначительному остатку. Это позволяет вести прием, в том числе, при выключенной средней полосе частот (при выключенном выключателе S4). Такого функционального расширения удалось достичь за счет дополнения устройства тремя раздельными фильтрами основной селекции 11, 12, 13 раздельно коммутируемыми посредством выключателей S2, S3, S4, сигналы с выходов которых объединяются на сумматоре 14, а также за счет дополнения его управляемым генератором 19, третьим фильтром 20 и переключателем S6, необходимыми для осуществления синхронного приема.
- второй стороной технической сущности предлагаемого устройства является осуществление принципа программно-определяемого радиотракта, реализуемого путем преобразования принимаемого аналогового радиосигнала в форму цифрового комплексного сигнала, передачу этого сигнала во внешний компьютер по двунаправленному интерфейсу для дальнейшей цифровой обработки. Результатом такой программной обработки является отображение на экране подключенного внешнего компьютера спектра принимаемого и передаваемого сигналов, а также осуществление дополнительного перестраиваемого канала приема, с выводом звукового сигнала оператору через звуковую карту применяемого внешнего компьютера для слухового приема и самоконтроля передатчика. Этого функционального расширения удалось достичь за счет дополнения устройства преобразователем 1 и блоком интерфейса ПК 2, имеющим двунаправленный интерфейс в сторону внешнего компьютера.
Данные усовершенствования существенно расширяют традиционные представления работы с КВ приемопередатчиками.
Устройство имеет два основных режима работы: режим приема и режим передачи. Режимы коммутируются посредством переключателя S1.1…S1.5. Кроме этого в режиме приема предусмотрены два дополнительных режима: режим однополосной телефонии и телеграфии «ОБП, ТЛГ» и режим приема сигналов с амплитудной модуляцией «АМ».
В режиме приема (Пр), (в нижнем по схеме Фиг. 1 положении среднего контакта переключателя S1.1), в режиме «ОБП, ТЛГ» сигнал от антенны поступает на первый вход перестраиваемого преселектора 5. Преселектор осуществляет предварительную селекцию принимаемого сигнала в третьоктавной полосе частот, а также заграждение канала приема на первой промежуточной частоте и зеркального канала первого преобразования. Перестройка преселектора осуществляется дискретно, под управлением цифровым кодом, подаваемым из контроллера 15 по специальной линии на вход управления 2 преселектора. Контроллер 15 имеет ручку управления и клавиатуру, с помощью которых задается частота настройки. Частота отображается на цифровом индикаторе 16 и подается цифровым кодом, как в задающий генератор, с выхода 1, для настройки его синтезатора первого гетеродина на частоту, соответствующую рабочей частоте, так и в преселектор 5 (на вход 2), с выхода 2, для его настройки на рабочую частоту приемопередатчика. С выхода преселектора сигнал поступает на первый вход первого смесителя 6, на третий вход которого подается сигнал первого гетеродина от задающего генератора 9. Этот смеситель транспонирует полосу принимаемого сигнала на первую промежуточную частоту, значение которой выбрано выше полосы принимаемого сигнала (инфрадинный прием) за счет чего обеспечивается сужение относительной полосы перестройки первого гетеродина и смягчаются требования к преселектору в части селекции, необходимой для ослабления зеркального канала. Сигнал первой промежуточной частоты выделяется и усиливается посредством селективного усилителя 7. Выделенный и усиленный сигнал первой промежуточной частоты поступает на второй вход преобразователя 1, где осуществляется преобразование этого сигнала в цифровой комплексный сигнал, который подается во внешний компьютер через блок интерфейса ПК 2 по двунаправленному интерфейсу. Поскольку вывод сигнала в внешний компьютер осуществляется на первой промежуточной частоте, т.е. его частота изменяется при вращении ручки управления, находящейся в составе контроллера 15, на экране внешнего компьютера появляется изображение частотно-амплитудной и частотно-временной (водопад) панорамы, движущейся при вращении ручки управления, что существенно расширяет возможности работы с предлагаемым приемопередатчиком.
С выхода 2 селективного усилителя 7 принимаемый сигнал поступает на вход 1 третьего смесителя 8, на третий вход которого подается сигнал второго гетеродина с выхода 2 задающего генератора 9, в результате чего сигнал первой (высокой) промежуточной частоты преобразуется в сигнал второй (низкой) промежуточной частоты, который снимается с выхода 2 смесителя 8. Этот сигнал поступает на вход коммутируемой системы фильтров основной селекции 11, 12, 13, сигналы с выходов которых объединяется на сумматоре 14. С выхода сумматора сигнал поступает на вход второго усилителя 17, осуществляющего основное усиление на второй промежуточной частоте. С выхода усилителя 17 усиленный сигнал второй промежуточной частоты подается на вход второго смесителя 18. На вход 3 этого смесителя в рассматриваемом режиме подается сигнал с выхода 3 задающего генератора. В смесителе 18 осуществляется восстановление несущей частоты при приеме сигналов с одной боковой полосой, а также в этом смесителе формируется сигнал низкочастотного тона биений при приеме телеграфных сигналов. С выхода 1 второго смесителя низкочастотный сигнал поступает на низкочастотный фильтр 21 осуществляющий выделение полезного сигнала и ограничение шумовой полосы. С выхода данного фильтра сигнал поступает на вход усилителя низкой частоты 22, а с его выхода, как и в устройстве-прототипе - на наушники.
В режиме приема АМ-сигналов «АМ» на вход 3 смесителя 18 подается сигнал не с задающего генератора 9, а с управляемого генератора 19, частота которого подстраивается под несущую частоту принимаемого АМ-сигнала посредством специального управляющего сигнала, формируемого в смесителе 18 и выдаваемого на его выход 2. Этот управляющий сигнал проходит через фильтр 20 петли ФАПЧ, необходимый для обеспечения работоспособности и устойчивости используемой в синхронном детекторе системы ФАПЧ. Теперь несущая частота АМ-сигнала подстраивает генератор 19, и частота выходного сигнала этого генератора точно соответствует несущей частоте, что исключает появление на выходе системы синхронного детектирования низкочастотных биений и обеспечивает синхронное детектирование принимаемого сигнала в смесителе 18.
В режиме передачи используется реверсивное преобразование сигнала. Формирователь 10 формирует либо AM сигнал с подавленной несущей, либо телеграфный сигнал на второй промежуточной частоте. Эти режимы коммутируются внутренним переключателем, входящим в состав формирователя 10 (на схеме Фиг. 1 этот переключатель не показан). Сигнал с выхода формирователя 10 через контакт переключателя S1.4, замкнутого в верхнее по схеме положение, поступает на вход системы фильтров основной селекции. В зависимости от выбираемого оператором класса излучения включается одна из трех полос пропускания, соответствующая выбранному виду работы приемопередатчика. С выхода системы фильтров сформированный на второй промежуточной частоте сигнал передачи, с подавленной боковой полосой либо телеграфный, поступает на вход 2 третьего смесителя и далее проходит через реверсивный тракт преобразования, построенный таким образом, что смесители 8, 6, усилитель 7 и перестраиваемый преселектор 5 пропускают сигнал в обоих направлениях. Это позволяет оптимизировать число фильтров и усилителей в таком тракте. С контакта 1 переключателя S1.3 селектированный сигнал передачи поступает на вход усилителя 3 мощности и через выходной фильтр передачи подается в антенну.
Кроме этого сигнал передачи поступает на вход 2 преобразователя 1 и подается в компьютер для контроля его спектра и для самопрослушивания оператором.
Таким образом, описан принцип действия предлагаемого приемопередатчика во всех режимах его работы.
Основные преимущества предлагаемого приемопередатчика сводятся к следующему.
1. Предлагаемое устройство обеспечивает всеволновую работу на любой частоте от 1,5 МГц до 30 МГц в телеграфном режиме, в режиме с одной боковой полосой частот, на прием и на передачу, а также на прием в режиме с амплитудной модуляцией.
2. Предлагаемая полезная модель обеспечивает повышенную помехоустойчивость приема за счет того что позволяет вести синхронный прием АМ-станций и обеспечивает возможность раздельного приема верхней или нижней боковых полос АМ-сигнала в наименьшей степени пораженных помехами;
3. Предлагаемое устройство имеет расширенную функциональность и обеспечивает возможность компьютерного панорамного контроля окружающей обстановки в эфире, а также визуального контроля частотного спектра передаваемых и.принимаемых сигналов, самопрослушивание и дополнительный перестраиваемый цифровой канал приема.
4. В предлагаемой полезной модели применяется оптимизированное число фильтров, усилителей и преобразователей частоты в трактах приема и передачи;
5. Предлагаемое устройство обеспечивает цифровое отображение частоты настройки на встроенном индикаторе, за счет чего обеспечивается удобство (простоту) настройки радиостанции на рабочую частоту.
Реализация узлов универсального коротковолнового приемопередатчика.
Приемопередатчик был реализован в ОАО «ЦНПО «Ленинец» с использованием элементов отечественного и зарубежного производства:
- преобразователь 1 реализован на микросхемах R-820T производства фирмы Rafael Micro и RTL8232 производства фирмы Realtek;
- блок интерфейса ПК 2 - для связи с внешним ПК IBM Т-43 реализован на микросхеме с интерфейсом USB RTL 8232 производства фирмы Realtec;
- первый усилитель 3 - на импортных транзисторах 2SC3357, 2SC1971, IRF530;
- фильтр передачи 4 - на основе п-образных LC-фильтров 5 порядка выполненных на отечественных элементах;
- перестраиваемый преселектор 5 - на основе двухконтурных перестраиваемых резонансных LC систем, бистабильных поляризованных реле импортного производства;
- первый смеситель 6 - на основе модуля VAY-1+ производства фирмы Mini-Circuits (США);
- селективный усилитель 7 - на отечественных СВЧ транзисторах типа КТ938Б2, с использованием монолитных кварцевых фильтрах производства фирмы Golledge (Великобритания) серии 45.0 Monolithic Cristal Filters GMCF-45, 45G7B1 45.000±3,5, no 2 шт. соединенных каскадно, используемых в обоих каскадах усилителя;
- третий смеситель 8 - на импортной микросхеме ADG-774BRQZ производства фирмы Analog Devise (США);
- задающий генератор 9 - на микросхемах типа AD9951, AD9834 производства фирмы Analog Devise (США);
- формирователь 10 - на отечественной микросхеме К174УР1;
- фильтр верхней боковой полосы частот 11 - мостовой кварцевый фильтр на отечественных кварцевых резонаторах АТ-среза, на частоту 128 кГц;
- фильтр средней полосы частот 12 - мостовой кварцевый фильтр на отечественных кварцевых резонаторах АТ-среза, на частоту 128 кГц;
- фильтр верхней боковой полосы частот 13 - мостовой кварцевый фильтр на отечественных кварцевых резонаторах АТ-среза на частоту 128 кГц;
- сумматор 14 - на отечественных резисторах;
- контроллер 15 - на микросхеме ATMEGA644PA производства фирмы Atmel (США);
- индикатор 16 - использован готовый импортный индикатор WH1602D;
- второй усилитель 17 - на импортной микросхеме LA1135 производства фирмы Sunny (Япония);
- второй смеситель 18 - на импортной микросхеме CD4016B;
- управляемый генератор 19 - на импортной микросхеме LA1135;
- третий фильтр 20 - на резисторах и конденсаторах отечественного производства;
- низкочастотный фильтр 21 - на микросхеме отечественного производства К574УД2;
- низкочастотный усилитель 22 - на микросхеме иностранного производства TDA 2003.