Цифровая носимая радиостанция

Полезная модель относится к системам радиосвязи с использованием одиночной антенной системы и применением частотной или фазовой модуляции и может быть использована для оперативной связи в качестве устройства для передачи и приема голосовой и телеметрической информации по радиоканалу.
Широко распространены радиостанции, в которых используются аналоговые принципы формирования модулированных высокочастотных сигналов на передачу и обработку на прием. Недостатки таких радиостанций связаны с ограничением при переходе на работу с современными эффективными видами модуляции, формируемыми цифровым образом, такими как GMSK и 4FSK, преимущественно применяемыми в верхней части КB и УКВ диапазонов. Недостатком данного класса радиостанций является также отсутствие возможности гибкой и быстрой смены комплекса рабочих параметров радиостанции при сохранении минимальных массогабаритных параметров и энергопотребления радиостанции. Введение в радиостанцию цифровой обработки и современной элементной базы позволяет обеспечить новые положительные пользовательские качества, такие как пониженное энергопотребление и стабильность радиотехнических параметров.
Известна цифровая портативная радиостанция по патенту на полезную модель RU №118497, Н04L 29/02, Н04В 1/00, содержащая антенну, микро-ЭВМ, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), а также цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), комплект оконечных устройств, блок селекции, вход которого подключен к выходу антенны, а выход к АЦП, при этом микро-ЭВМ выполнена в виде HOST процессора и DSP процессора, вход которого подключен к выходу АЦП, а выход - ко входу HOST процессора, выходы которого подключены к оконечным устройствам, которые выполнены в виде клавиатуры, микрофона и экрана, при этом ЦАП, соединенный последовательно с дополнительно введенным усилителем мощности, подключен параллельно АЦП, через усилитель мощности ко входу блока селекции и выходу DSP процессора.
Недостатком является ограничение применимости радиостанции в портативном исполнении на высоких частотах - в верхней части КB и УКВ диапазонов из-за высокого энергопотребления цифровыми компонентами: АЦП, ЦАП и сигнальным DSP процессором. Еще одним недостатком радиостанции являются очень высокие требования к избирательным свойствам блока селекции, так как в структуре данной радиостанции только блоком селекции определяется избирательность по побочным каналам приема.
Указанные недостатки устраняются в радиостанции по патенту №105099, Н04В 7/00 на полезную модель, которая содержит антенну, приемник, выполненный по супергетеродинной схеме с двумя преобразованиями, состоящий из последовательно соединенных антенного коммутатора, преселектора, смесителя, усилителя первой ПЧ, микросхемы приемника, демодулятора четырехуровневой FSK, выход которого подключен к первому входу блока обработки, ко второму входу которого подключен микрофон, при этом первый выход блока обработки соединен через усилитель низких частот (УНЧ) с громкоговорителем, а второй выход блока обработки - с входом модулятора четырехуровневой FSK, первый выход которого подключен к входу опорного генератора (ОГ), а второй выход - к второму входу генератора, управляемого напряжением (ГУН), при этом первый вход ГУН соединен с выходом синтезатора, а первый выход ГУН подключен ко входу усилителя мощности (УМ), чей выход подсоединен к антенному коммутатору, при этом второй выход ГУН - к смесителю, а третий выход ГУН - к первому входу синтезатора, к второму входу которого подключен выход ОГ, при этом первый, второй, третий и четвертый вход-выходы блока управления, имеющего выходной разъем для связи с ЭВМ, подключены соответственно к входу-выходу синтезатора, демодулятора, блока обработки и модулятора.
В более позднем патенте тех же авторов №135868, Н04В 7/00, Н04L 29/02 описана аналогичная цифровая радиостанция, содержащая антенну, приемник, выполненный по супергетеродинной схеме с двумя преобразованиями, состоящий из последовательно соединенных антенного коммутатора, преселектора, смесителя, усилителя первой промежуточной частоты, микросхемы приемника, демодулятора четырехуровневой FSK, выход которого подключен к первому входу блока обработки, ко второму входу которого подключен микрофон, при этом первый выход блока обработки соединен через УНЧ с громкоговорителем, а второй выход блока обработки - с входом модулятора четырехуровневой FSK, первый выход которого подключен к входу опорного генератора (ОГ), а второй выход - к первому входу ГУН, при этом второй вход ГУН соединен с выходом синтезатора, первый выход ГУН - со смесителем, а второй выход ГУН - с первым входом синтезатора, к второму входу которого подключен выход ОГ, при этом первый, второй, третий и четвертый входы-выходы блока управления, имеющего выходной разъем для связи с ЭВМ, подключены соответственно к входам-выходам синтезатора, демодулятора, блока обработки и модулятора, отличающаяся тем, что в радиостанцию введены последовательно соединенные синтезатор прямого синтеза (СПС) и блок фильтров так, что первый вход СПС соединен с третьим выходом ГУН, а второй вход СПС соединен с пятым входом-выходом блока управления, при этом выход блока фильтров соединен со входом усилителя мощности, а также введен второй выход микросхемы приемника, соединенный с третьим входом блока обработки.
Техническим результатом данной полезной модели является увеличение видов формируемых и обрабатываемых видов модуляции, повышение стабильности спектральных характеристик формируемых колебаний, а также расширение области ее применимости, что достигается введением в нее цифровой обработки и современной элементной базы.
Радиостанция по патенту №135868 выбрана в качестве ближайшего аналога предлагаемой полезной модели.
Недостатки данной цифровой радиостанции обусловлены применением в ней супергетеродинной схемы с двумя преобразованиями частоты. Преобразование частоты на ПЧ влечет за собой появление целого спектра частот зеркального канала, который может быть отфильтрован исключительно фильтром преселектора, который работает на основной частоте радиостанции и не может иметь большой порядок и избирательность на УКВ диапазонах. Кроме того, слабым звеном такой схемы является усилитель промежуточной частоты, осуществляющий фильтрацию радиочастотного спектра сигнала с помощью кварцевых или керамических фильтров для обеспечения необходимой избирательности приемного тракта. Однако известно, что указанные фильтры не обладают достаточной температурной стабильностью в обычном для носимых радиостанций широком диапазоне рабочих температур. Следствием нескольких преобразований частоты является и увеличение энергопотребления, что также ограничивает использование радиостанций в мобильном (портативном) исполнении.
Предлагаемая полезная модель направлена на устранение указанных недостатков ближайшего аналога. Ожидаемый от ее применения технический эффект заключается в повышении температурной стабильности спектральных характеристик сигналов и уменьшении энергопотребления, что в конечном итоге позволяет расширить область применимости при сохранении и возможности увеличения обрабатываемых и формируемых видов модуляции, присущих классу цифровых радиостанций.
В основе существенных отличий предлагаемой полезной модели от ближайшего аналога лежит использование принципа прямого преобразования частоты при приеме высокочастотных сигналов.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в известную цифровую радиостанцию, содержащую антенну с приемным трактом, включающим в себя антенный коммутатор, антенный вход которого подключен к антенне, а выход - ко входу малошумящего усилителя-преселектора, усилитель мощности передатчика, фильтр низких частот и аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), а также опорный генератор, выход которого подключен к опорному входу синтезатора, микрофон и громкоговоритель, вход которого подключен к выходу усилителя низких частот, отличающаяся тем, что в нее введены квадратурный демодулятор и цифровой сигнальный процессор, выполненный с возможностью цифровой обработки сигналов и управления частотой и модуляцией сигналов, первый вход которого подключен к выходу опорного генератора, второй вход соединен с выходом АЦП, третий вход через речевой кодек соединен с микрофоном, первый выход цифрового сигнального процессора через речевой кодек подключен ко входу усилителя низких частот, при этом приемный тракт выполнен по схеме прямого преобразования частоты, АЦП выполнен с дополнительным входом управления, а его входы соединены с соответствующими квадратурными выходами квадратурного демодулятора, первый вход которого подключен к выходу малошумящего усилителя-преселектора, синтезатор выполнен в виде программируемого фракционного синтезатора частот, опорный вход которого является опорным входом синтезатора, вход управления частотой подключен ко второму выходу цифрового сигнального процессора, а вход управления модуляцией - к третьему выходу указанного процессора, четвертый и пятый выходы которого соединены, соответственно, со вторым входом квадратурного демодулятора и с дополнительным входом управления АЦП, выход же программируемого фракционного синтезатора соединен с третьим входом квадратурного демодулятора и со входом усилителя мощности передатчика, выход которого через фильтр низких частот подключен к передающему входу антенного коммутатора.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется на фигуре, на которой приведена структурная схема заявляемой цифровой носимой радиостанции. На указанной фигуре использованы следующие обозначения:
1 - антенна, 2 - антенный коммутатор; 3 - малошумящий усилитель-преселектор; 4 - квадратурный демодулятор; 5 - АЦП; 6 - цифровой сигнальный процессор; 7 - программируемый фракционный синтезатор частоты; 8 - усилитель мощности передатчика; 9 - опорный генератор; 10 - речевой кодек; 11 - усилитель низких частот; 12 - громкоговоритель; 13 - микрофон; 14 - фильтр низких частот.
Рассматриваемая цифровая носимая радиостанция содержит антенну 1 с приемным трактом, включающим в себя последовательно соединенные антенный коммутатор 2, антенный вход которого подключен к антенне 1, а выход - ко входу малошумящего усилителя-преселектора 3, квадратурный демодулятор 4, АЦП 5 и цифровой сигнальный процессор 6, связанный с речевым кодеком 10, вход которого подключен к микрофону 13, а выход - через усилитель 11 низких частот - к громкоговорителю 12, а также опорный генератор 9, выход которого подключен к первому входу цифрового сигнального процессора 6 и к опорному входу программируемого фракционного синтезатора 7 частот, у которого входы управления частотой и модуляцией подключены, соответственно, ко второму и третьему выходам цифрового сигнального процессора 6, четвертый и пятый выходы которого соединены, соответственно, со вторым входом квадратурного демодулятора 4 и с дополнительным входом управления АЦП 5, выход же программируемого фракционного синтезатора 7 соединен с третьим входом квадратурного демодулятора 4 и со входом усилителя 8 мощности передатчика, выход которого через фильтр 14 низких частот подключен к передающему входу антенного коммутатора 2.
Ключевой элемент предлагаемой радиостанции - квадратурный демодулятор, который представляет собой микросхему высокочастотного смесителя (преобразователя спектра). В качестве микросхемы квадратурного демодулятора 4 использовался чип СМХ994А компании CML Microcircuits. В качестве программируемого фракционного синтезатора 7 частот на основе импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с возможностью прямой цифровой модуляции несущей частоты использована микросхема LMX2571 компании Texas Instruments.
Опорный генератор 9, определяющий температурную стабильность ВЧ сигнала, подаваемого на квадратурный демодулятор 4, и на усилитель 8 мощности передатчика, представляет собой термокомпенсированный кварцевый генератор, например, серии NT2520 компании NDK. В качестве АЦП 5 может быть использована микросхема TLV320AIC3104 компании Texas Instruments. Эта микросхема выполняет функции оцифровки векторных сигналов I и Q, с разрядностью 16 бит и частотой дискретизации 48 кГц. Цифровой поток с АЦП 5 поступает в цифровой сигнальный процессор 6, где происходит цифровая фильтрация сигналов и демодуляция, в зависимости от режима: аналоговый ЧМ (12.5 / 25 кГц), цифровые режимы: АРСO25, DMR, NXDN, dPMR. Цифровой сигнальный процессор 6 может быть выполнен на процессоре общего назначения, например, ADSP-BF504BCPZ-4F компании Analog Devices или современном микроконтроллере семейства Cortex.
Таким образом, все используемые в предлагаемом устройстве элементы доступны для использования в производстве и широком тиражировании изделия.
Радиостанция работает следующим образом.
В режиме приема радиочастотный сигнал с антенны 1 через антенный коммутатор 2 поступает на малошумящий усилитель-преселектор 3, который осуществляет предварительную фильтрацию и усиление радиочастотных сигналов, поступающих с антенны 1. Фильтрация в малошумящем усилителе-преселекторе 3 может быть выполнена, например, фильтрами на LC элементах или с использованием структур на поверхностно-акустических волнах (ПАВ), а усиление радиочастотных сигналов - распространенными однокаскадными высокочастотными схемами усиления, например, каскадом на биполярном транзисторе. Далее сигнал поступает на квадратурный демодулятор 4, который выполнен в виде интегральной схемы, где посредством преобразования (переноса спектра) переносится на видеочастоту в виде двух квадратурных векторных сигналов I и Q в дифференциальной форме. В программируемом усилителе видеочастоты, входящем в состав квадратурного демодулятора 4, происходит предварительная фильтрация спектра сигналов I и Q с помощью RC фильтров и дальнейшее их усиление, после чего сигнал поступает на вход микросхемы АЦП 5, например, TLV320AIC3104 компании Texas Instruments. Микросхема АЦП приемника 5 выполняет функции оцифровки квадратурных векторных сигналов I и Q, с разрядностью 16 бит и частотой дискретизации 48 кГц. Цифровой поток с АЦП 5 поступает в цифровой сигнальный процессор 6, где происходит цифровая фильтрация сигналов и демодуляция, параметры которой определяются выбором режима: аналоговый режим с ЧМ (12.5 / 25 кГц), цифровые режимы - АРСO25, DMR, NXDN, dPMR. Цифровой сигнальный процессор 6 реализует, кроме того, цифровой алгоритм автоматической регулировки усиления (АРУ), который обеспечивает оптимальное соотношение сигнал/шум путем динамического управления усилением блоков квадратурного демодулятора 4 и АЦП 5. Квадратурный демодулятор 4 управляется сигналами программируемого фракционного синтезатора 7 частот на основе импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с возможностью прямой цифровой модуляции несущей частоты высокочастотного (ВЧ) сигнала, например, цифровой синтезатор LMX2571 компании Texas Instruments. Температурную стабильность ВЧ сигнала, подаваемого на квадратурный демодулятор 4 и усилитель мощности 8 передатчика, определяет опорный генератор 9, представляющий собой термокомпенсированный кварцевый генератор, например, серии NT2520 компании NDK. Квадратурный демодулятор 4 по сигналам программируемого фракционного синтезатора 7 частот разделяет принятый сигнал на синфазную (I) и квадратурную (Q) компоненты. Далее, в цифровом сигнальном процессоре 6 проверяется соответствие структуры принятого сигнала на соответствие заданному формату. При соответствии - цифровой сигнальный процессор 6 выдает в речевой кодек 10 команду разрешения на воспроизведение голосового сообщения. Это голосовое сообщение усиливается с помощью усилителя 11 низких частот и воспроизводится громкоговорителем 12.
В режиме передачи речи низкочастотный сигнал с микрофона 13 поступает на речевой кодек 10, который в режиме передачи выполняет функцию АРУ для сжатия динамического диапазона и преобразования речевого сигнала в битовую (цифровую) последовательность, с частотой преобразования 8 кГц и разрядностью 16 бит. Далее, этот цифровой поток поступает в цифровой сигнальный процессор 6, где, в зависимости от режима связи, происходит дальнейшая цифровая фильтрация и сжатие цифрового потока специальным алгоритмом (вокодирование) в более медленный цифровой поток. В цифровых режимах связи (АРСO25, DMR, NXDN, dPMR) происходит пакетирование данных (фрейминг), скремблирование, формирование последовательности дебитов и формирование на их основе модулирующих отклонений несущей частоты с последующей цифровой фильтрацией спектра. С выхода программируемого фракционного синтезатора 7 частот модулированный ВЧ сигнал подается на вход усилителя 8 мощности передатчика и далее, через фильтр 14 низких частот - на вход антенного коммутатора 2, через который посылается антенной 1 в эфир.
Таким образом, совокупность общих с ближайшим аналогом конструктивных элементов и вновь введенных существенных признаков позволяет получить ожидаемый технический результат, заключающийся в повышении температурной стабильности спектральных характеристик сигналов и уменьшении энергопотребления, что в конечном итоге позволяет расширить область применимости данного класса радиостанций при сохранении и возможности увеличения обрабатываемых и формируемых ими видов модуляции.