КОРОТКОВОЛНОВАЯ РАДИОСТАНЦИЯ

Полезная модель относится к области радиосвязи и может быть использована для передачи аналоговой и цифровой информации по каналам связи.
Известны устройства для передачи однополосного сигнала, описанные в патентах РФ №2329597 и №2332781, опубликованных в 2006 г., в которых при формировании мощного однополосного сигнала используются квадратурные составляющие. Устройства обеспечивают значительное уменьшение уровня внеполосных излучений, но при этом остается недостаточная линейность амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик (АЧХ и ФЧХ), а также недостаточно высокий динамический диапазон.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является коротковолновая радиостанция с цифровой обработкой сигнала по патенту №85744, опубликованном в 2009 г., принятая за прототип.
На фиг.1 представлена укрупненная функциональная схема устройства-прототипа, где введены следующие обозначения:
1 - антенна;
2 - согласующее антенное устройство (САУ);
3 - антенный коммутатор;
4 - аттенюатор;
5, 8 - первый и второй коммутаторы;
6 - блок полосовых фильтров;
7, 12 - первый и второй преобразователи частоты;
9, 11 - первый и второй усилители первой промежуточной частоты (ПЧ);
10, 20 - первый и второй кварцевые фильтры;
13, 19 - первый и второй усилители высокой частоты (УВЧ);
14 - усилитель мощности;
15 - предварительный усилитель;
16 - опорный генератор;
17, 18 - первый и второй синтезаторы опорной частоты (СЧ1 и СЧ2);
21 - микроэлектронная вычислительная машина (МЭВМ);
22 - микрофон;
23 - головной телефон.
Радиостанция-прототип выполнена по частично трансиверной схеме, которая предусматривает использование одних и тех же узлов в режимах приема и передачи.
Управление режимами радиостанции производится с помощью встроенной МЭВМ 21. Обработка принимаемого сигнала производится схемой приемовозбудителя, приемник которого выполнен по супергетеродинной схеме с двойным преобразованием частоты. Формирование сигналов гетеродинов осуществляется с помощью двух синтезаторов СЧ1 17 и СЧ2 18, опорным сигналом для которых служит сигнал опорного генератора 16 частотой 10 МГц.
Переключение режимов с приема на передачу осуществляется коммутаторами 3, 5 и 8 под управлением МЭВМ 21.
Согласование входного сопротивления антенны 1 с выходным сопротивлением усилителя мощности 14 производится с помощью САУ 2.
В режиме приема входной сигнал через САУ 2 и антенный коммутатор 3 поступает на ступенчатый аттенюатор 4, имеющий пределы ослабления 0/20 дБ. Управление работой аттенюатора осуществляется по внешней команде МЭВМ 21. С выхода аттенюатора 4 сигнал через коммутатор 5 поступает на блок полосовых фильтров 6. Диапазон принимаемых частот (1,5-30) МГц перекрывается восемью двухзвенными LC фильтрами с емкостной связью. Фильтры подключаются по внешней команде от МЭВМ 21. Далее сигнал поступает на первый вход преобразователя частоты 7, на третий вход которого поступает сигнал гетеродина первого синтезатора опорных частот 17, формирующего сигналы частот от 64 до 92,5 МГц с шагом 2 кГц.
Для компенсации потерь выходной сигнал преобразователя с частотой первой ПЧ Fпч1=62,5 МГц после второго коммутатора 8 усиливается усилителем первой ПЧ 9, обеспечивающим ослабление побочных каналов приема не менее 40 дБ, а также защищающим весь последующий тракт от воздействия мощных помех. Второй усилитель первой ПЧ 11 предназначен для компенсации потерь в кварцевом фильтре 10.
С выхода усилителя 11 сигнал поступает на второй преобразователь частоты 12, собранный по схеме, аналогичной первому. Частота второго гетеродина равна 57,5 МГц. Гетеродинный сигнал поступает от второго синтезатора частоты 18. С выхода второго преобразователя 12 сигнал через усилитель 13 поступает на вход МЭВМ 21, где происходит его оцифровка и обработка. Затем сигнал звуковой частоты поступает на головные телефоны 23.
В режиме передачи звуковой сигнал с микрофона 22 поступает в МЭВМ 21, где осуществляется формирование однополосного сигнала на промежуточной частоте 62,5 МГц. Затем сигнал через второй кварцевый фильтр 20, второй УВЧ 19 и второй коммутатор 8 подается на вход первого преобразователя частоты 7, работающего в реверсивном режиме, который осуществляет перенос спектра сигнала первой ПЧ Fпч1=62,5 МГц в диапазон рабочих частот. С помощью одного из восьми фильтров блока 6, переключаемых под управлением МЭВМ 21, осуществляется выделение сигнала на рабочей частоте. Далее сигнал через первый коммутатор 5 и предварительный усилитель 15 поступает на усилитель мощности 14, после чего через антенный коммутатор 3 и САУ 2 подается в антенну 1.
Основным недостатком описанной схемы является невозможность передачи и приема цифровой информации от внешних устройств (например, от ПЭВМ).
В заявляемой полезной модели решается задача реализации в аналоговой радиостанции цифрового канала передачи данных от оконечной аппаратуры, например, персональной ЭВМ.
Технический результат, который может быть получен при использовании полезной модели, заключается в улучшении помехоустойчивости радиостанции, достоверности передаваемой информации, увеличения дальности передаваемой информации с сохранением исходного качества связи.
Для решения поставленной задачи в коротковолновую радиостанцию, содержащую последовательно соединенные двунаправленными связями антенну, согласующее антенное устройство и антенный коммутатор; последовательно соединенные двунаправленными связями первый коммутатор, блок полосовых фильтров, первый преобразователь частоты и второй коммутатор; последовательно соединенные опорный генератор и первый синтезатор опорной частоты, выход которого соединен с третьим входом первого преобразователя частоты; последовательно соединенные первый усилитель первой промежуточной частоты, первый кварцевый фильтр, второй усилитель первой промежуточной частоты, второй преобразователь частоты и первый усилитель высокой частоты (УВЧ); последовательно соединенные второй кварцевый фильтр и второй УВЧ, выход которого соединен со вторым входом второго коммутатора, второй выход которого соединен со входом первого усилителя первой промежуточной частоты; последовательно соединенные предварительный усилитель, вход которого соединен со вторым выходом первого коммутатора, и усилитель мощности, выход которого соединен со вторым входом антенного коммутатора; аттенюатор, вход которого соединен со вторым выходом антенного коммутатора, а выход - со вторым входом первого коммутатора; второй синтезатор опорной частоты, вход которого соединен с выходом генератора опорной частоты, а выход - со вторым входом второго преобразователя частоты; микрофон, головной телефон и микроэлектронную вычислительную машину (МЭВМ), выполненную с возможностью формирования сигналов управления и цифровой обработки однополосного сигнала, причем низкочастотный вход МЭВМ соединен с микрофоном, низкочастотный выход - с головным телефоном; первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы сигналов управления МЭВМ соединены соответственно с управляющими входами антенного коммутатора, аттенюатора, первого коммутатора, блока полосовых фильтров и второго коммутатора, согласно полезной модели, введены блок обработки цифровых сигналов (БОЦС), а также третий и четвертый коммутаторы, при этом, вход третьего коммутатора соединен с Выходом первого УВЧ, второй выход - со вторым входом МЭВМ, первый выход которой соединен со вторым входом четвертого коммутатора, выход которого соединен со входом второго кварцевого фильтра, а первый вход - с первым выходом БОЦС, второй вход которого является входом цифровой информации устройства, а второй выход - выходом цифровой информации устройства; дополнительно, МЭВМ содержит шестой, седьмой и восьмой выходы сигналов управления, соединенные соответственно с управляющими входами третьего коммутатора, четвертого коммутатора и БОЦС.
Причем блок обработки цифровых сигналов выполнен с возможностью кодирования цифровых сигналов на передачу и декодирования цифровых сигналов на прием.
На фиг.2 представлена функциональная схема предлагаемой полезной модели, где обозначено:
1 - антенна;
2 - согласующее антенное устройство (САУ);
3 - антенный коммутатор;
4 - аттенюатор;
5, 8, 24, 26 - первый, второй, третий и четвертый коммутаторы;
6 - блок полосовых фильтров;
7, 12 - первый и второй преобразователи частоты;
9, 11 - первый и второй усилители первой промежуточной частоты (ПЧ);
10, 20 - первый и второй кварцевые фильтры;
13, 19 - первый и второй усилители высокой частоты (УВЧ);
14 - усилитель мощности;
15 - предварительный усилитель;
16 - опорный генератор;
17, 18 - первый и второй синтезаторы опорной частоты;
21 - микроэлектронная вычислительная машина (МЭВМ);
22 - микрофон;
23 - головной телефон.
25 - блок обработки цифровых сигналов.
Предлагаемая полезная модель содержит последовательно соединенные двунаправленными связями антенну 1, согласующее антенное устройство (САУ) 2 и антенный коммутатор 3; последовательно соединенные двунаправленными связями первый коммутатор 5, блок полосовых фильтров 6, первый преобразователь частоты 7 и второй коммутатор 8; последовательно соединенные опорный генератор 16 и первый синтезатор опорной частоты 17, выход которого соединен с третьим входом первого преобразователя частоты 7; последовательно соединенные первый усилитель первой промежуточной частоты 9, первый кварцевый фильтр 10, второй усилитель первой промежуточной частоты 11, второй преобразователь частоты 12, первый усилитель высокой частоты (УВЧ) 13 и третий коммутатор 24, первый выход которого соединен с первым входом БОЦС 25, первый выход которого соединен с первым входом четвертого коммутатора 26, выход которого через последовательно соединенные второй кварцевый фильтр 20 и второй УВЧ 19 соединен со вторым входом второго коммутатора 8, второй выход которого соединен со входом первого усилителя первой промежуточной частоты 9.
Второй выход антенного коммутатора 3 через аттенюатор 4 соединен со вторым входом первого коммутатора 5, второй выход которого через последовательно соединенные предварительный усилитель 15 и усилитель мощности 14 соединен со вторым входом антенного коммутатора 3.
Также, выход опорного генератора 16 через второй синтезатор опорной частоты 18 соединен со вторым входом второго преобразователя частоты 12.
Первый выход МЭВМ 21 соединен со вторым входом четвертого коммутатора 26, а второй вход - со вторым выходом третьего коммутатора 24.
Низкочастотный вход МЭВМ 21 соединен с микрофоном 22, а низкочастотный выход - с головным телефоном 23. Кроме того, МЭВМ 21 содержит восемь выходов сигналов управления (Уп.1-Уп.8), которые соединены соответственно с управляющими входами антенного коммутатора 3, аттенюатора 4, первого коммутатора 5, блока полосовых фильтров 6, второго коммутатора 8, третьего коммутатора 24, четвертого коммутатора 26 и БОЦС 25, третий вход которого является входом цифровой информации устройства, а второй выход - выходом цифровой информации устройства.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
В режиме приема входной сигнал, принимаемый антенной 1, через САУ 2 и антенный коммутатор 3 поступает на ступенчатый аттенюатор 4, имеющий пределы ослабления 0/20 дБ.
Управление работой аттенюатора 4 осуществляется по внешней команде МЭВМ 21 (Упр.2). С выхода аттенюатора 4 сигнал через первый коммутатор 5 поступает на блок полосовых фильтров 6. Диапазон принимаемых частот (1,5-30) МГц перекрывается восемью двухзвенными LC фильтрами с емкостной связью. Фильтры блока 6 подключаются по внешней команде от МЭВМ 21 (Упр.4). Далее сигнал поступает на первый вход первого преобразователя частоты 7, который наряду с высокой линейностью преобразования и широким динамическим диапазоном обеспечивает эффективное подавление напряжения с частотой гетеродина и нежелательных продуктов преобразования. На третий вход первого преобразователя частоты 7 поступает сигнал гетеродина от первого синтезатора опорной частоты 17, формирующего сигналы частот от 64 до 92,5 МГц с шагом 2 кГц, на основе сигнала опорного генератора 16 частотой 10 МГц.
пч1
Для компенсации потерь выходной сигнал первого преобразователя частоты 7 с частотой первой ПЧ F=62,5 МГц после второго коммутатора 8 усиливается усилителем первой ПЧ 9, обеспечивающим ослабление побочных каналов приема не менее 40 дБ, а также защищающим весь последующий тракт от воздействия мощных помех. Второй усилитель первой ПЧ 11 предназначен для компенсации потерь в первом кварцевом фильтре 10.
С выхода второго усилителя первой ПЧ 11 сигнал поступает на второй преобразователь частоты 12, собранный по схеме, аналогичной первому. Частота второго гетеродина равна 57,5 МГц. На основе сигнала опорного генератора 16 частотой 10 МГц во втором синтезаторе опорной частоты 18 формируется гетеродинный сигнал, который через второй преобразователь частоты 12 подается для усиления в первый УВЧ 13, а затем через третий коммутатор 24 поступает на первый вход БОЦС 25, где происходит демодуляция сигнала, перенос на третью промежуточную частоту, декодирование цифровой информации, формирование пакетов информации в соответствии с необходимым протоколом. Затем сформированный цифровой сигнал поступает к приемнику цифровой информации оконечной аппаратуры.
Использование двух синтезаторов опорной частоты 17 и 18 позволяет оптимально реализовать два таких противоречивых требования, как мелкий шаг сетки частот и высокую скорость перестройки.
пч1
В режиме передачи входной сигнал от источника цифровой информации оконечной аппаратуры поступает в БОЦС 25, где осуществляется выделение цифровой информации из пакетов, кодирование и формирование квадратурных компонент сигнала на промежуточной частоте 62,5 МГц. Затем сигнал через четвертый коммутатор 26 подается на второй кварцевый фильтр 20, где выделяется сигнал высокой частоты, который затем усиливается во втором УВЧ 19 и через второй коммутатор 8 подается на вход первого преобразователя частоты 7, работающего в реверсивном режиме, который осуществляет перенос спектра сигнала первой ПЧ F=62,5 МГц в диапазон рабочих частот. С помощью одного из восьми фильтров блока 6, переключаемых под управлением МЭВМ 21 (Упр.4), осуществляется выделение сигнала на рабочей частоте. Далее сигнал через первый коммутатор 5 и предварительный усилитель 15 поступает на усилитель мощности 14, после чего через антенный коммутатор 3 и САУ 2 подается в антенну 1. С помощью САУ 2 осуществляется согласование входного сопротивления антенны 1 с выходным сопротивлением усилителя мощности 14.
Переключение режимов с приема на передачу осуществляется антенным коммутатором 3, а также первым 5 и вторым 8 коммутаторами под управлением МЭВМ 21 (Упр.1, Упр.3, Упр.5). Переключение режимов с цифрового на аналоговый осуществляется подачей управляющих сигналов (Упр.6, Упр.7) с соответствующих выходов МЭВМ 21 на управляющие входы третьего 24 и четвертого коммутаторов.
Работа радиостанции с аналоговыми сигналами происходит аналогично прототипу.
В режиме приема входной сигнал, принимаемый антенной 1, через САУ 2 и антенный коммутатор 3 поступает на ступенчатый аттенюатор 4, имеющий пределы ослабления 0/20 дБ. Управление работой аттенюатора осуществляется по внешней команде МЭВМ 21 (Упр.2). С выхода аттенюатора 4 сигнал через первый коммутатор 5 поступает на блок полосовых фильтров 6. Диапазон принимаемых частот (1,5-30) МГц перекрывается восемью двухзвенными LC фильтрами с емкостной связью. Фильтры подключаются по внешней команде от МЭВМ 21 (Упр.4). Далее сигнал поступает на первый преобразователь частоты 7, который наряду с высокой линейностью преобразования и широким динамическим диапазоном обеспечивает эффективное подавление напряжения с частотой гетеродина и нежелательных продуктов преобразования. Сигнал гетеродина поступает от первого синтезатора опорной частоты 17, формирующего сигналы частот от 64 до 92,5 МГц с шагом 2 кГц.
Для компенсации потерь выходной сигнал преобразователя с частотой первой ПЧ Fпч1=62,5 МГц после второго коммутатора 8 усиливается усилителем первой ПЧ 9, обеспечивающим ослабление побочных каналов приема не менее 40 дБ, а также защищающим весь последующий тракт от воздействия мощных помех. Второй усилитель первой ПЧ 11 предназначен для компенсации потерь в первом кварцевом фильтре 10.
С выхода второго усилителя первой промежуточной частоты 11 сигнал поступает на второй преобразователь частоты 12, собранный по схеме, аналогичной первому. Частота второго гетеродина равна 57,5 МГц. Гетеродинный сигнал поступает от второго синтезатора опорной частоты 18. С выхода второго преобразователя 12 сигнал через первый УВЧ 13 и третий коммутатор 24 поступает на второй вход МЭВМ 21, где происходит его оцифровка и обработка. Затем сигнал звуковой частоты поступает на головные телефоны 23.
В режиме передачи звуковой сигнал с микрофона 22 поступает в МЭВМ 21, где осуществляется формирование однополосного сигнала на промежуточной частоте 62,5 МГц. Затем сигнал через четвертый коммутатор 26, второй кварцевый фильтр 20, второй УВЧ 19 и второй коммутатор 8 подается на второй вход первого преобразователя частоты 7, работающего в реверсивном режиме, который осуществляет перенос спектра сигнала первой ПЧ Fпч1=62,5 МГц в диапазон рабочих частот. С помощью одного из восьми фильтров блока 6, переключаемых под управлением МЭВМ 21 (Упр.4), осуществляется выделение сигнала на рабочей частоте. Далее сигнал через первый коммутатор 5 и предварительный усилитель 15 поступает на усилитель мощности 14, после чего через антенный коммутатор 3 и САУ 2 подается в антенну 1.
Функциональная схема блока обработки цифровых сигналов 25 представлена на фиг.3, где обозначено:
27 - аналогово-цифровой преобразователь (АЦП);
28, 31, 37, 39 - первый, второй, третий и четвертый перемножители сигналов;
29, 32, 38, 40 - первый, второй, третий и четвертый преобразователи частоты дискретизации (ПЧД);
30, 33 - первый и второй цифровые фильтры;
34, 41 - первый и второй синтезаторы частот;
35 - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП);
42 - блок обработки цифровой информации.
В режиме приема выходной сигнал второй ПЧ с первого выхода третьего коммутатора 24 подается на вход АЦП 27, где осуществляется аналого-цифровое преобразование входного сигнала. Дискретный сигнал с выхода АЦП 27 поступает на первые входы двух перемножителей сигналов 28 и 31. На второй вход первого перемножителя сигналов 28 поступает синусная компонента сигнала с первого выхода первого синтезатора частот 34, а на второй вход второго перемножителя сигналов 31 поступает косинусная компонента сигнала со второго выхода первого синтезатора частот 34. С выходов первого 28 и второго 31 перемножителей квадратурные компоненты входного сигнала, перенесенные первым синтезатором 34 на третью ПЧ, поступают на соответствующие первый 29 и второй 32 блоки преобразования частоты дискретизации, где частота дискретизации сигналов понижается до рабочей. Эта процедура необходима для уменьшения вычислительной производительности при обработке цифровых сигналов. С первого 29 и второго 32 блоков преобразования частоты дискретизации сигналы поступают соответственно на входы первого 30 и второго 32 цифровых фильтров, где осуществляется фильтрация в соответствии с полосой сигнала. Квадратурные компоненты сигнала поступают в блок обработки цифровой информации 42, где осуществляется демодуляция сигнала, декодирование цифровой информации, формирование пакетов и выдача в соответствии с протоколом в приемник цифровой информации.
В режиме передачи пакеты информации от источника цифровой информации поступают в блок обработки цифровой информации 42, где происходит кодирование и формирование квадратурных компонент сигнала. С первого и второго выходов блока обработки цифровой информации 42 квадратурные компоненты цифрового сигнала поступают соответственно на третий 38 и четвертый 40 блоки преобразования частоты дискретизации, где происходит увеличение частоты дискретизации квадратурных компонент сигнала. С выходов блоков 38 и 40 квадратурные компоненты сигнала поступают соответственно на первые входы третьего 37 и четвертого 39 перемножителей сигналов. На второй вход третьего перемножителя сигналов 37 поступает синусная компонента сигнала первой ГГЧ с первого выхода второго синтезатора частот 41, а на второй вход четвертого перемножителя сигналов 39 поступает косинусная компонента сигнала первой ПЧ со второго выхода второго синтезатора частот 41. С выходов блоков 37 и 39 квадратурные компоненты сигнала первой ПЧ поступают соответственно на первый и второй входы блока суммирования 36, где осуществляется формирование сигнала одной боковой полосы и подавление несущей фазово-фильтровым методом. С выхода блока 36 дискретный сигнал первой ПЧ поступает на ЦАП 35, с выхода которого сигнал подается на четвертый коммутатор 26. Сигналы управления (Уп.8) блоком обработки цифровой информации, определяющие вид модуляции, скорость передачи и приема информации, поступают от МЭВМ 21.
В качестве блока обработки цифровой информации 42 используется быстродействующий процессор с плавающей запятой и высокой точностью представления данных типа Shark ADSP-21469 фирмы Analog Devices (США).
Реализация остальных блоков известна из технической литературы.
Таким образом, предлагаемая коротковолновая радиостанция обеспечивает прием и передачу как аналоговых (речевых), так и цифровых сообщений от внешних устройств.
Преимущество цифровой передачи перед аналоговой заключается в ее помехоустойчивости. Наличие в цифровом сигнале всего двух состояний облегчает восстановление сигнала, и, следовательно, предотвращает накопление в процессе передачи шумов. Аналоговые сигналы не являются сигналами с двумя состояниями, они могут принимать бесконечное множество форм. Поэтому после воздействия помехи на аналоговый сигнал искажение нельзя убрать с помощью усиления. Поскольку накопление шума неразрывно связано с аналоговыми сигналами, как следствие, они не могут воспроизводиться идеально. При использовании цифровых технологий очень низкая частота возникновения ошибок и применение процедур выявления и коррекции ошибок делают возможным высокую точность сигнала. Поэтому цифровые сигналы могут быть переданы на большие расстояния, чем аналоговые сигналы.
Следовательно, при использовании полезной модели достигается улучшение помехоустойчивости радиостанции, достоверности передаваемой информации, увеличение дальности передаваемой информации с сохранением исходного качества связи за счет многократной ретрансляции.