Ретранслятор

Полезная модель относится к радиотехнике, в частности к беспроводной передаче данных, и может быть использована в качестве ретранслятора радиосигналов в составе системы мониторинга на базе измерителей-регистраторов серии ТКА-ПКЛ в музеях, библиотеках, ресторанах, на всевозможных складах, а также в других случаях одновременного контроля параметров в нескольких помещениях.
Известен ретранслятор радиосигналов по патенту RU 2668224, 2018 г., (Патентообладатель ФГБОУ ВО "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) для системы радиосвязи, состоящей из 2п взаимно связывающихся через радиоэфир радиостанций (абонентов), разнесенных между собой за пределы прямой видимости, в котором автоматическое управление синхронизацией работы осуществлено с помощью вычислителя и меток точного времени с выхода приемника сигналов глобальных навигационных спутниковых систем.
Наиболее близким к заявляемому, взятым в качестве прототипа, является активный ретранслятор по патенту RU 2042272, 1990 г., (Патентообладатель Петербургский институт инженеров железнодорожного транспорта), включающий приемную антенну, усилитель высокой частоты, преобразователи частоты линии задержки, усилитель мощности, передающую антенну, гетеродины, генератор управляющих сигналов, электронный коммутатор, кварцевые резонаторы.
К недостаткам данного устройства, выбранного в качестве прототипа ретранслятора для работы в составе системы мониторинга на базе измерителей-регистраторов серии ТКА-ПКЛ, относятся:
отсутствие возможности принимать и передавать радиосигналы от измерителей-регистраторов серии ТКА-ПКЛ по технологии Lora;
отсутствие возможности задания режимов работы ретранслятора с помощью ПК, а именно, выборочного и сквозного (не выборочного) режима ретрансляции, что негативно сказывается на надежности работы системы мониторинга и на автономности работы самого ретранслятора при его питании от сменных аккумуляторов.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель является повышение надежности устройства.
Поставленная техническая проблема решается за счет того, что в ретрансляторе, содержащем блок приемопередатчика радиосвязи с антенным входом/выходом, блок микроконтроллера, блок приемопередатчика радиосвязи, блок управления питанием, блок связи в виде разъема USB, предназначенный для связи с персональным компьютером и блок индикации, блок индикации расположен на лицевой стороне корпуса, при этом блок микроконтроллера посредством двунаправленных интерфейсов соединен с блоком приемопередатчика радиосвязи и с блоком связи, а антенный вход/выход установлен на верхнем торце корпуса ретранслятора. А также за счет того, что блок индикации состоит из двух светодиодов состояния ретранслятора - индикатора передачи по радио каналу и индикатора заряда аккумуляторов, а корпус ретранслятора может быть выполнен с возможностью крепления его на плоских металлических или круглых поверхностях.
Данный технический результат достигается за счет:
реализации в ретрансляторе управления микроконтроллером с возможностью предварительной обработки данных перед их передачей по каналу связи;
возможности приема и передачи данных посредством беспроводного субгигагерцового радиоканала по технологии LoRa, что обеспечивает значительно большую дальность связи, чем другие конкурирующие с ней способы и значительно повышает чувствительность приемника и, аналогично другим методам модуляции с расширенным спектром;
реализации ретранслятора в двух модификациях: с питанием от аккумуляторов и с питанием от внешнего блока питания;
возможности настройки режима работы ретранслятора с помощью ПК и специальной программы, а именно режим усиления от всех приборов серии ТКА-ПКЛ или выборочный режим, при котором задаются конкретные номера приборов, от которых необходимо принимать и дальше передавать информацию;
использования комбинированной адаптивной системы обнаружения активности канала (Channel Activity Detection, CAD) в системе LoRa, которая позволяет исключать наложения радиосигналов друг на друга и увеличивает надежность связи.
Блок-схема устройства представлена на фиг. 1. Конструктивно прибор выполнен в виде моноблока в пластиковом корпусе, внутри которого находятся блок приемопередатчика радиосвязи 2, блок микроконтроллера 3, блок управления питанием 4, блок связи с ПК 5 и блок индикации 6. На обратной стороне корпуса расположено универсальное крепление (не показано), позволяющее устанавливать прибор на плоские, металлические (с помощью прикручиваемых к креплению магнитов, входящих в комплект поставки) или круглые поверхности (с помощью стяжек).
Съемная приемопередающая антенна 1 устанавливается на верхнем торце корпуса ретранслятора. Она соединена с антенным входом/выходом блока приемопередатчика 2.
Блок приемопередатчика радиосвязи 2 реализован в виде отдельного модуля на базе трансивера компании Semtech, в котором схемы приемника и передатчика работают на одну антенну. Блок приемопередатчика 2 радиосвязи содержит в своем составе аналоговый блок преобразования входного или выходного сигнала, блок цифровых модемов, блок управления питанием, а также блок контроля, обеспечивающий обработку полезных данных и конфигурирование внутренних параметров посредством цифрового интерфейса связи.
Радиоприемный тракт данного блока приемопередатчика 2 реализован по схеме квадратурного преобразования, с целью упрощения проектирования применяется несимметричный входной сигнал. Сначала он подается на малошумящий усилитель, охваченный цепью обратной связи для автоматической регулировки усиления. Далее для устранения гармоник происходит его преобразование в дифференциальную форму, затем из сигнала промежуточной пониженной частоты, полученного в смесителе, выделяются синфазная и квадратурная составляющие, поступающие на два аналогово-цифровых преобразователя. Вся дальнейшая обработка (фильтрация, демодуляция и т.д.) выполняется над сигналом, представленным в цифровом виде.
Блок микроконтроллера 3 обеспечивает работу радио приемопередатчика 2 ретранслятора по алгоритму, реализующему необходимую надежность и устойчивость радио ретрансляции. Он имеет в своем составе вычислительное ядро, оперативную и энергонезависимую память для программ и настроек, часы реального времени и таймеры, а также модули цифровых интерфейсов связи, например, таких как USB и SPI.
Управление и информационный обмен между блоком микроконтроллера 3 и блоками радио приемопередатчика 2 и связи с ПК 5 осуществляется посредством двунаправленных интерфейсов по цифровым шинам данных, которые могут работать как на вход, так и на выход.
Блок управления питанием 4 осуществляет преобразование напряжения питания до нужного уровня, поступающего с выхода блока 5 связи с ПК по шине USB (при модификации ретранслятора с питанием от внешнего блока), так и от перезаряжаемых аккумуляторов (при автономной модификации ретранслятора). Преобразованное напряжение от указанных выше источников из блока управления питанием 4 поступает по специальным шинам питания в блоки приемопередатчика радиосвязи 2 и микроконтроллера 3. К тому же с выхода блока управления питанием 4 на вход блока микроконтроллера 3 поступает информация о заряде аккумуляторов при автономной модификации ретранслятора.
Блок связи с ПК 5 реализован в виде разъема microUSB и вспомогательных микросхем, выполняющих защитные и согласующие функции для шины USB. Данные по цифровой шине USB поступают от ПК через блок связи с ПК на вход блока микроконтроллера и наоборот.
Блок индикации 6 расположен на лицевой стороне корпуса прибора и состоит из двух светодиодов состояний прибора, а именно индикатор передачи по радио каналу и индикатор заряда аккумуляторов (наличия питания). Во время очередной передачи информации по радиоканалу микроконтроллер 3 коммутирует напряжение на своем выходе, связанным со входом светодиода в блоке 6, выступающем в роли индикатора радиопередачи ретранслятора, и данный светодиод кратковременно загорается определенным цветом. При низком заряде аккумуляторов в случае автономной модификации ретранслятора микроконтроллер 3 коммутирует напряжение на своем выходе, связанным со входом светодиода в блоке 6, выступающем в роли индикатора заряда аккумуляторов, и данный светодиод начинает светиться красным цветом, предупреждая тем самым пользователя о необходимости заряда аккумуляторов, установленных в ретрансляторе.
Принцип работы ретранслятора заключается в следующем: принять сигнал и передать его. Сигнал, принятый приемопередающей антенной 1, поступает на вход приемопередатчика 2, настроенного на определенную частоту. После детектирования сигнала приемопередатчик 2 информирует об этом микроконтроллер 3, который, в свою очередь, с помощью, записанной в него программы считывает из приемника полученный пакет информации для последующей обработки. Полученный пакет проходит проверку на ошибки и на уникальность для защиты от повторной передачи ранее уже переданного такого же пакета. Затем микроконтроллер 3 переводит приемопередатчик 2 LoRa с помощью цифрового интерфейса связи в режим передачи, и приемопередатчик 2, в зависимости от режима работы, начинает передавать пакет в эфир, предварительно проверив радиоканал на возможность передачи по нему. По завершении передачи ретранслятор переходит в режим приема.
Данный ретранслятор классифицируется как эхо-ретранслятор, в котором прием и передача сигнала происходят не одновременно, а по очереди. Сначала прием, а затем передача. В таком случае частоты приема и передачи не разделены, но возникает некоторая задержка в распространении сигнала, вносимая ретранслятором.
Ретранслятор используется как промежуточный пункт линии радиосвязи, усиливающей принимаемый сигнал и передающей его дальше через радиоэфир от измерителей-регистраторов, разнесенных между собой за пределы прямой видимости. Установка ретранслятора в центре зоны работы системы мониторинга дает увеличение радиуса действия приборов ТКА-ПКЛ минимум в два раза.