Помехозащищенная передающая система с цифровым блоком селекции и автоматическим устройством согласования на дискретных элементах
INTERFERENCE-RESISTANT TRANSMISSION SYSTEM WITH DIGITAL SELECTION UNIT AND AUTOMATIC MATCHING DEVICE ON DISCRETE ELEMENTS

Изобретение относится к технике радиосвязи и может быть использовано в радиостанциях коротковолнового (КВ) и ультракоротковолнового (УКВ) диапазона, а также в радиостанциях других диапазонов, работающих в условиях действия мощных сосредоточенных помех.
В радиосвязи большую роль играет вопрос согласования антенны с передатчиком. Задача согласования актуальна для различных диапазонов и решается для разных диапазонов различными способами. Согласование имеет ряд особенностей для радиостанций коротковолнового (КВ) диапазона, которые активно используются в настоящее время в гражданской и военной связи.
Известны радиопередающие устройства, например, опубликованные в Шахгильдян В.В., Карякин В.Л. Проектирование устройств генерирования и формирования сигналов в системах подвижной связи: Учебное пособие для вузов. М: СОЛОН-Пресс, 2011. - 400 с. стр. 308 рис. 4.2, стр. 309 рис. 4.3. Также известно радиопередающее устройство, опубликованное в Ш ахгильдан В.В., Шумилин В.С., Козырев В.Б. и др. под ред. В.В. Шахгильдяна - 4-е изд., перераб. И доп. - М.: Радио и связь, 2000 - 656 с. Стр 377 рис. 5.6. Однако данные радиопередающие устройства предназначены для работы на согласованную нагрузку и в них не предусмотрена цепь согласования с антенной.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому, является устройство, описанное в статье «Концепция согласования радиопередающих устройств с нагрузками», T-Comm, №9-2013 с. 127-131, рис. 2.
Схема устройства-прототипа изображена на фиг. 1, где обозначено:
1 - генератор высокой частоты (ВЧ);
2 - генератор синусоидального сигнала (ГСС);
3 - ключ;
4 - усилитель мощности (УМ);
5 - двунаправленный ответвитель (ДНО);
6 - блок подстройки (БП);
7 - цепь согласования (ЦС);
8 - нагрузка передающей системы Rн (антенна).
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные генератор высокой частоты 1, двунаправленный ответвитель 5, цепь согласования 7 и нагрузку передающей системы Rн (антенна) 8. Причем генератор ВЧ 1 состоит из генератора синусоидального сигнала 2 и усилителя мощности 4, выходы которых соединены с соответствующими входами ключа 3, выход которого является выходом генератора ВЧ 1. Первый и второй выходы двунаправленного ответвителя 5 соединены с входами блока подстройки 6 соответственно. Четыре выхода ДНО 5 соединены с соответствующими входами цепи согласования 7.
Устройство-прототип работает в двух режимах - в режиме настройки и в режиме передачи. Поскольку нагрузкой выступает антенна 8, то она будет иметь некоторое комплексное сопротивление, зависящее от частоты Z(f). Для обеспечения работы в режиме передачи УМ 4 на согласованную нагрузку в режиме предварительной настройки производится настройка ЦС 7. В режиме настройки используется сигнал ГСС 2, который подается через ключ 3 на ДНО 5 и далее через ЦС 7 в Rн 8. При этом ГСС 2 формирует гармонический сигнал на частоте f1, на которой в дальнейшем будет производиться работа на передачу. Поскольку в начальном состоянии тракт передачи является рассогласованным, то в нем образуется падающая и отраженная волна. С ДНО 5 в блок подстройки 6 будет поступать ответвленное напряжение падающей мощности Uп и отраженной мощности. Далее блок подстройки 6 исходя из значений Uп и Uотр, а также фазы между ними производит вычисление значений управляющих напряжений ЦС 7. После чего ЦС 7 на основе полученных управляющих напряжений осуществляет трансформацию комплексного сопротивления нагрузки Rn 8 к выходу генератора высокой частоты 1. Данная процедура повторяется до тех пор, пока процесс настройки не придет в установившееся состояние. В установившемся состоянии Uотр будет иметь малое или нулевое значение, а тракт передачи энергии от генератора высокой частоты 1 до нагрузки 8 будет согласован на частоте f1.
В режиме передачи производится коммутация ключом 3 усилителя мощности 4 к ДНО 5. Поскольку выходные сопротивления ГСС 1 и УМ 4 одинаковые, то усилитель мощности 4 будет осуществлять передачу выходной мощности в согласованную нагрузку.
Антенна имеет реактивное сопротивление, которое зависит от частоты Z(f). Рассмотрим случай, при котором присутствуют 2 сигнала: первый - полезный сигнал, источником которого является в режиме настройки ГСС 2 на частоте f1, второй сигнал является помехой, наведенной в антенну (Rн) 8, на частоте f2. При этом значение мощности полезного сигнала в режиме настройки, как правило, небольшое 0,02…0,1 Вт. Мощность сигнала помехи от вблизи расположенного передатчика может быть значительно большей. В реальных условиях развязка между вблизи расположенными антеннами КВ диапазона может иметь значение 30 дБ. В УКВ диапазоне значение развязки может достигать меньших значений до 10 дБ. Таким образом, при мощности соседнего передатчика 1 кВт, наведенная от него в антенну мощность на частоте работы соседнего передатчика f2 может достигать значения 1 Вт. В результате значения напряжений падающей и отраженной мощности в двунаправленном ответвителе 5 Uп и Uотр будут в большей степени определяться сигналом помехи, действующим на частоте f2, который более чем на 10 дБ превосходит полезный сигнал, действующий на частоте f1. Учитывая, что соседний передатчик работает на другой частоте f2, то и процесс настройки ЦС 7 будет производиться на частоте f2. Кроме того, у некоторых типов антенн при отстройке по частоте сильно меняется значение реактивного сопротивления Z(f), поэтому при работе устройства-прототипа произойдет настройка на комплексной сопротивление Z(f2) вместо Z(f1).
Как следствие в режиме передачи усилитель мощности 4 будет работать на частоте f1 на рассогласованную нагрузку со сбросом мощности.
При работе радиопередающей системы на антенну могут наводиться помехи от вблизи расположенных работающих мощных радиопередающих устройств. При этом в тракте передачи осуществляется измерение падающей и отраженной мощности (как в режиме настройки, так и в режиме передачи). Наличие мощных помех с антенн, которые наводятся на частоте отличной от частоты работы радиопередающего устройства (РПДУ), приводят к искажению измеряемых значений падающей и отраженной мощности. При этом из-за аномальных показаний датчиков падающей и отраженной мощности могут достигать таких значений, при которых работа РПДУ окажется невозможной.
Недостаток устройства-прототипа - низкая помехозащищенность от наводок на антенну сигналов мощных радиопередающих устройств.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение помехоустойчивости работы передающей системы к помехам, наведенным в антенну от сигналов мощных радиопередающих устройств.
Для решения поставленной задачи в помехозащищенную передающую систему с цифровым блоком селекции и автоматическим устройством согласования на дискретных элементах, содержащую последовательно соединенные генератор высокой частоты (ГВЧ), двунаправленный ответвитель, цепь согласования и антенну, а также блок подстройки, при этом ГВЧ содержит генератор синусоидального сигнала (ГСС), усилитель мощности, выходы которых соединены с соответствующими входами ключа, выход которого является выходом ГВЧ, согласно изобретению, введены цифровой блок селекции и микропроцессорное устройство, выход которого соединен со вторым входом цепи согласования, выполненной на дискретных элементах; два выхода двунаправленного ответвителя соединены с соответствующими входами цифрового блока селекции, два выхода которого подключены к соответствующим входам блока подстройки, четыре выхода которого соединены с входами микропроцессорного устройства соответственно, кроме того, цифровой блок селекции выполнен с возможностью выделения полезного сигнала и подавления других спектральных составляющих с сохранением фазовых соотношений полезного сигнала с обоих выходов двунаправленного ответвителя.
На фигуре 2 приведена схема заявляемого устройства, где обозначено:
1 - генератор высокой частоты (ГВЧ);
2 - генератор синусоидального сигнала (ГСС);
3 - ключ;
4 - усилитель мощности (УМ);
5 - двунаправленный ответвитель (ДНО);
6 - блок подстройки (БП);
7 - цепь согласования (ЦС);
8 - антенна (нагрузка передающей системы);
9, 10 - первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП);
11, 12 - первый и второй цифровые радиоприемные устройства (ЦРПУ);
13 - цифровой блок селекции;
14 - микропроцессорное устройство (МCU).
Заявляемое устройство содержит последовательно соединенные генератор высокой частоты 1, двунаправленный ответвитель 5, цепь согласования 7 и антенну 8. Причем генератор ВЧ 1 состоит из генератора синусоидального сигнала 2 и усилителя 4, выходы которых соединены с соответствующими входами ключа 3, выход которого является выходом генератора ВС 1. Первый и второй выходы двунаправленного ответвителя 5 соединены с соответствующими входами цифрового блока селекции 13, выходы которого соединены с соответствующими входами блока подстройки 6, четыре выхода которого соединены с входами микропроцессорного устройства 14 соответственно. Выход МCU 14 соединен со вторым входом ЦС 7. Цепь согласования 7 построена на основе дискретных элементов, состоящих из магазинов емкостей и индуктивностей, переключение которых обеспечивает микропроцессорное устройство MCU 14. Цифровой блок селекции 13 содержит две цепочки из последовательно соединенных первого АЦП 9 и первого ЦРПУ 11, второго АЦП 10 и второго ЦПРУ 12. Причем входы первого 9 и второго 10 АЦП являются входами цифрового блока селекции 13; выходы первого 11 и второго 12 ЦРПУ - выходами цифрового блока селекции 13.
Заявляемое устройство работает в режиме настройки и в режиме передачи.
В режиме настройки используется сигнал ГСС 2, который подается через ключ 3 на двунаправленный ответвитель 5 и далее через цепь согласования 7 в антенну 8. Цепь согласования 7 выполнена на основе дискретных элементов, состоящих из магазинов емкостей и индуктивностей, переключение которых обеспечивает микропроцессорное устройство MCU 14. При этом генератор синусоидального сигнала 2 формирует гармонический сигнал на частоте f1, на которой в дальнейшем будет производиться работа на передачу. Поскольку в начальном состоянии тракт передачи является рассогласованным, то в нем образуется падающая и отраженная волна. В результате с двунаправленного ответвителя 5 на цифровой блок селекции 13 поступает ответвленное напряжение падающей и отраженной мощности: Uп - ответвленное напряжение падающей мощности, Uотр - ответвленное напряжение отраженной мощности. Цифровой блок селекции 13 настроен на частоту приема полезного сигнала f1. В блоке селекции 13 производится оцифровка отсчетов двумя аналого-цифровыми преобразователями 9, 10. Затем полученные отсчеты поступают на входы соответствующих цифровых радиоприемных устройств 11, 12, которые настроены на частоту приема f1. Цифровые радиоприемные устройства 11, 12 пропускают гармонический сигнал на частоте f1 без ослабления, а сигналы помехи, действующей на частоте f2, ослабляют на 60 дБ или более. На выходе цифровых радиоприемных устройств наведенный сигнал помехи на частоте f2, будет иметь мощность менее 1 мВт, при мощности полезного сигнала, действующего на частоте f1 0.1…0.02 мВт. В результате действие помехи не будет оказывать влияния на работу блока подстройки 6. На блок подстройки 6 будет поступать ответвленное напряжение падающей мощности Uп, и ответвленное напряжение отраженной мощности Uотр на частоте f1 в цифровом виде. Блок подстройки 6 исходя из значений Uп и Uотр, а также фазы между ними производит вычисление требуемых значений емкостей и индуктивностей в цепи согласования 7. Полученные значения передаются в микропроцессорное устройство MCU 14. Микропроцессорное устройство 14 определяет, какие именно дискретные элементы нужно коммутировать для обеспечения требуемых значений индуктивности и емкости в цепи согласования 7, а также формирует соответствующие команды управления в цепи согласования 7. После чего цепь согласования 7 осуществляет трансформацию комплексного сопротивления антенны 8 к выходу генератора высокой частоты 1. Данная процедура повторяется до тех пор, пока процесс настройки не придет в установившееся состояние.
В режиме передачи производится коммутация ключом 3 усилителя мощности 4 к двунаправленному ответвителю 5. Поскольку выходные сопротивления генератора синусоидального сигнала 2 и усилителя мощности 4 одинаковые, то усилитель мощности 4 будет осуществлять передачу выходной мощности в согласованную нагрузку (антенну) 8.
Блок цифровой селекции 13 предназначен для выделения сигналов на частоте настройки радиопередающей системы и фильтрации остальных частот. При работе в условиях интенсивных помех, на антенный вход радиопередающей системы приходит смесь помех на различных частотах. Блок цифровой селекции 13 фактически является двухканальным узкополосным перестраиваемым фильтром, который в режиме настройки выделяет полезный сигнал и подавляет другие спектральные составляющие, при этом сохраняет фазовые соотношения полезного сигнала с обоих входов.
Построение блоков 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8 в заявляемом устройстве общеизвестно и аналогично реализации соответствующих блоков 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8 устройства-прототипа.
Цепь согласования 7, представляющая собой набор дискретных элементов, состоящих из магазинов емкостей и индуктивностей, может быть выполнена, например, как описано в патенте РФ 2282284.
Аналого-цифровые преобразователи могут быть выполнены, например, как в патенте на полезную модель RU 78999 (фиг. 1, блоки 3, 8). Блок микропроцессорного управления MCU 14 может быть построен, например, как в патенте на полезную модель RU 78999 (фиг. 1, блок 5).
Таким образом, в предлагаемой передающей системе по сравнению с прототипом достигается повышение помехоустойчивости работы передающей системы к помехам, наведенным в антенну от сигналов мощных радиопередающих устройств за счет фильтрации сигналов помех в блоке цифровой селекции.