Многоканальная цифровая возбудительная система
MULTICHANNEL DIGITAL EXCITATORY SYSTEM

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в радиопередающей аппаратуре радиосвязи с режимами частотной модуляции и телеграфии, работающих в диапазонах КНЧ, СНЧ, СДВ-ДВ, СВ для автономной работы, а также для работы в составе систем управления радиопередающими устройствами.
Возбудитель современного радиопередатчика - сложное и дорогостоящее устройство, состоящее в общем случае из синтезатора частоты, вырабатывающего одно или несколько выходных когерентных колебаний с заданными частотами, формирователя видов работы на фиксированной поднесущей частоте и тракта переноса сформированных колебаний в рабочий диапазон частот. Возбудитель радиопередатчика характеризуется следующими основными параметрами: диапазоном частот рабочего колебания, характером изменения рабочей частоты, общим числом фиксированных частот, нестабильностью частоты и фазы, уровнем побочных спектральных составляющих, характеристиками управления возбудителем, инерционностью перестройки, видами работ и др.
Стремительное развитие микроэлектроники, аналоговой и цифровой микропроцессорной и компьютерной техники оказывает существенное влияние на развитие радиопередающей техники как с точки зрения резкого увеличения функциональных возможностей, так и с точки зрения улучшения ее эксплуатационных показателей. Это достигается за счет использования новых принципов построения структурных схем передатчиков и схемотехнической реализации отдельных узлов, реализующих цифровые способы формирования, обработки и преобразования колебаний и сигналов.
В современных возбудителях широко применяются методы цифрового формирования сигналов. Известны возбудители для радиопередатчиков, содержащие модулятор, синтезатор частот, усилительно-преобразовательный блок (возбудитель ВО-71). Техническое описание ЯР2.209.011. ТО Тамбов, 1973 г. Возбудитель радиостанции AN/PRC-70. Сборник ЦИВТИ МО СССР, 1973, вып. 300, книга 8, стр. 38-41. Возбудитель GK-203C. HF SYNTHESISED DRIVER RECEIVER GK-205. 1973 г. Передатчик сигналов RU 2106061, содержащий генератор модулирующего сигнала, частотный модулятор, генератор моделируемого сигнала, блок умножителей частоты оконечный мощный усилительный каскад с выходным контуром.
Такие возбудители имеют высокий уровень шумов и дискретных побочных составляющих на выходе, а также низкую стабильность параметров модулированных колебаний в диапазоне моделирующих и рабочих частот. Поэтому подобные возбудители не позволяют реализовать повышенные требования к качеству формируемых радиосигналов и подавлению паразитных побочных колебаний на выходе.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой системе является возбудитель радиопередатчика «Прибой», разработанный и серийно выпускаемый Омским научно-исследовательским институтом. Технические условия УИЯД.464117.004 ТУ. Возбудитель «Прибой» обеспечивает формирование сигналов классов излучения J3E, Н3Е, R3E, А1В, F1B, 3K40J1BEN в диапазоне рабочих частот от 3 до 30 МГц, имеет цифровой вход Ethernet и выход промежуточной частоты и предназначен для использования в комплексах технических средств высокоскоростной передачи информации.
Управление возбудительным устройством осуществляется дистанционно по одному из стыков:
- по стыку ИРПС (ОСТ 11305.916-84);
- RS-232 в соответствии с ГОСТ 18145-81;
- RS-485;
- RS-422.
Возбудитель «Прибой» выполнен по супергетерадинной схеме с одним преобразованием частоты 65,128 МГц.
Основными функциональными модулями возбудителя являются:
- цифровой модулятор телеграфных и телефонных сигналов;
- цифро-аналоговый преобразователь;
- блок преобразования и усиления;
- частотный селектор;
- блок синтеза частот;
- блок управления и индикации;
- блок интерфейсный Ethernet;
- блок питания.
Недостатком прототипа является низкая стабильность параметров выходных модулированных колебаний (уровень девиации в диапазоне модулирующих рабочих частот) по причине применения двух управляющих напряжением входов генератора для осуществления частотной модуляции и автоподстройки частоты.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют в известных источниках информации, что указывает на соответствие заявленного устройства условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем реализации новых режимов работы перспективных радиолиний, совершенствование методов цифрового формирования сигналов и помехозащищенности радиосвязи.
Поставленная цель достигается тем, что в многоканальную цифровую возбудительную систему, содержащую блок управления и индикации, интерфейсный блок Ethernet, модуль цифро-аналогового преобразователя и источник питания, причем система построена на базе единого универсального цифрового модуля (FPGA), в который входят: модуль формирования тактовых сигналов, цифровой сигнальный процессор, система синхронизации и единого времени, глобальная навигационная спутниковая система, формирователь сигналов КНЧ-СНЧ, СДВ-ДВ и СВ диапазонов, модуль цифро-аналогового преобразователя, контроллер внешних связей и модуль управления кодовыми комбинациями, причем система построена на базе единого универсального цифрового модуля (FPGA), два таких универсальных цифровых модуля работают на значительном удалении друг от друга и формируют когерентные сигналы для обеспечения нужной диаграммы направленности, а все управление режимом работы модуля и доставка всей информации, необходимой для формирования излучаемого сигнала, осуществляется через интерфейсный блок по сети Ethernet и обрабатывается цифровым сигнальным процессором, который формирует низкочастотный квадратурный сигнал, при этом в системе реализован прямой синтез радиочастоты и перенос низкочастотного квадратурного сигнала на рабочую частоту, а полностью сформированный цифровыми методами радиосигнал поступает на цифро-аналоговый преобразователь.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном устройстве за счет того, что система построена на базе единого универсального цифрового модуля (FPGA), в который входят различные функциональные блоки, формирующие когерентные сигналы для обеспечения нужной диаграммы направленности. Управление режимом работы модуля и доставка всей информации, необходимой для формирования излучаемого сигнала, осуществляется через интерфейсный блок по сети Ethernet и обрабатывается цифровым сигнальным процессором, который формирует низкочастотный квадратурный сигнал. А также за счет того, что в системе реализован прямой синтез радиочастоты и перенос низкочастотного квадратурного сигнала на рабочую частоту, а полностью сформированный цифровыми методами радиосигнал поступает на цифро-аналоговый преобразователь. Таким образом, обеспечивается возможность достижения сформулированного технического результата: расширение функциональных возможностей путем реализации новых режимов работы перспективных радиолиний, совершенствование методов цифрового формирования сигналов и помехозащищенности радиосвязи.
На фиг. 1 представлена функциональная схема МЦВС, которая построена на базе единого универсального цифрового модуля FPGA (1). Схема содержит:
1 - единый универсальный цифровой модуль FPGA;
2 - модуль формирования тактовых сигналов;
3 - цифровой сигнальный процессор;
4 и 5 - формирователь сигналов КНЧ-СНЧ, СДВ-ДВ и СВ диапазонов;
6 - модуль цифро-аналогового преобразователя контроль;
7 - контроллер внешних связей;
8 - модуль управления кодовыми комбинациями;
9 - устройство управления и индикации;
10 - система синхронизации и единого времени;
11 - глобальная навигационная спутниковая система;
12 - интерфейсный блок сети Ethernet;
13 - блок электропитания.
Модуль формирования тактовых сигналов (2) обеспечивает формирование сигналов тактирования ЦАП и формирование тактового сигнала REFCLK частотой 25 МГц.
Структурная схема модуля формирования тактовых сигналов представлена на фиг. 2. Она содержит:
14 - микросхема формирования тактовых сигналов CDCE72010;
15 - генератор опорный 10 МГц ГК211-ТС;
16 - микросхема 1432УУ1В;
17 - цифро-аналоговый преобразователь 1273ПА71 544УД16У3;
18 - микроконтроллер ELASH ПЗУ с программой 1887ВЕ1У;
19 - линейный стабилизатор (STU);
20 - компаратор ADCMP572;
21 - фильтр нижних частот;
22 - кварцевый генератор ГУН 250 МГц SiS50.
2
Сигналы тактирования формируются в виде дифференциальных пар стандарта PEKL. В качестве опорного сигнала модуль использует сигнал частотой 10 МГц, формируемый либо встроенным генератором ГК211-ТС (15), либо поступающий с внешнего разъема «10 МГц Вх». Кроме того, выходной сигнал генератора через буфер на микросхему 1432УУ1В (18) поступает на выходной разъем модуля «10 МГц Вых». Выбор режима работы, а также подстройка номинальной частоты генератора ГК211-ТС (15) производится по командам, поступающим по интерфейсу IС.
2. Модуль формирования тактовых сигналов (2) обеспечивает высокую стабильность частоты и низкий уровень фазовых шумов, поскольку эти характеристики в значительной степени влияют на качество работы МЦВС в целом. Исходя из этого, в качестве опорного выбран ультра прецизионный малошумящий термостатированный кварцевый генератор типа ГК211-ТС-10М-5Е-10/АТ-Б (15). Подстройка выходной частоты в пределах диапазона регулировки осуществляется с помощью цифро-аналогового преобразователя (17), построенного на основе микросхемы параллельного ЦАП с токовым выходом 1273ПА71 и операционного усилителя 544УД16У3.
С выхода опорного генератора сигнал синусоидальной формы поступает на один из входов опорной частоты микросхемы формирователя тактовых сигналов CDCE72010 (14). В состав этой микросхемы, помимо системы распределения тактовых частот, состоящей из выходных делителей и буферов, входит подсистема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и схема управления. Подсистема фазовой автоподстройки частоты включает в себя два буфера сигналов опорной частоты (PR1 REF, SEC REF), фазовый детектор (PFD), делитель выходной частоты управляемого генератора и схему формирования управляющего напряжения. Схема управления (Interface & Control) обеспечивает подстройку режима работы микросхемы по интерфейсу SPI или с помощью выделенных выводов.
Микросхема CDCE72010 (14) обеспечивает возможности совместной работы с управляемыми генераторами с частотой до 1500 МГц. Максимальная частота опорного сигнала составляет 500 МГц. Выходные буфера формируют до 10 дифференциальных сигналов (LUPECL, LV8S) или 20 сигналов LVCMOS. Выходные делители обеспечивают деление частоты управляемого генератора с коэффициентами 1…6, 8, 10, 12, 16, 20 и т.д. до 70 или 80 по каждому каналу независимо. Микросхема обеспечивает ультранизкий уровень фазовых шумов и может использовать в качестве эффективного устройства снижение фазового дрожания тактового сигнала при узкой полосе фильтра ФАПЧ. Внешняя частота стандарта 10 МГц поступает на компаратор (20) и далее на микросхему CDCE72010 (14).
-7
В качестве управляемого генератора в системе ФАПЧ используется управляемый напряжением кварцевый генератор (VCXO) SiS50 (22) при напряжении питания 3,3 В и номинальной частоте 250 МГц обеспечивает температурную стабильность частоты не хуже 5⋅10 в диапазоне температур -40+85 градусов С.
Источник тактовых импульсов представляет собой кварцевый резонатор (ХО), обеспечивающий высокую стабильность частоты и надежность. Синтезатор частоты осуществляет процесс формирования колебаний требуемой частоты, а также фильтрацию шумов.
Управление модулем тактовых сигналов обеспечивается с помощью однокристального микроконтроллера с FLASH ПЗУ программой 1887ВЕ1У(18).
Питание элементов модуля осуществляется напряжением +3,3 В, формируемым с помощью встроенного быстродействующего линейного стабилизатора (19). Такая схема питания позволяет существенно снизить влияние помех, возникающих при работе остальных модулей на модуль формирования тактовых частот (2).
Характеристика подавления пульсаций напряжения микросхемой АДР3338-3.3 в диапазоне частот до 1 МГц представлена на фиг. 3.
Цифровой сигнальный процессор DSP (3) поддерживает протокол сетевого взаимодействия и формирует в цифровом виде все необходимые сигналы. Структура цифрового сигнального процессора DSP показана на фиг. 4. Она содержит:
23 - порт RS-232 1;
24 - порт RS-232 2;
25 - переключатель «Режим» загрузки;
26 - микросхему динамической памяти NORFLASH$;
27 - порт Ethernet;
28 - микросхему (Протокол) DR83640 IEEER1588$;
29 - источник питания.
Основу цифрового сигнального процессора составляет микросхема типа MT47H64M16HR и NOR FLASH. Она предназначена для хранения программ. В системе имеются 2 порта RS-232 (23-24). Первый порт (23) используется для получения информации от аппаратуры СЕВ (системы единого времени), целей отладки и программирования FLASH-памяти, ко второму (24) подключен приемник инфракрасного пульта дистанционного управления. Переключатель режим загрузки (25) используется для тестирования и записи программного обеспечения в NOR FLASH. Для этого выбирается режим начальной загрузки по интерфейсу RS-232 и в цифровой сигнальный процессор DSP загружается тестовая программа, которая осуществляет начальную проверку работоспособности устройства и программирует NOR FLASH. В штатном режиме работы загрузка программного обеспечения в DSP происходит из NOR FLASH (26).
В МЦВС на цифровой сигнальный процессор DSP возложены две основные задачи: поддержка сетевых протоколов для передачи данных, управление по сети Ethernet (27) и формирование в цифровом виде всех излучаемых сигналов.
В низкочастотной части диапазона (КНЧ-СНЧ) цифровой сигнальный процессор DSP программно формирует все точки отсчета излучаемого сигнала, которые без дальнейшей цифровой обработки в FPGA передаются на цифроаналоговый преобразователь или поступают в один из блоков и «формирователь радиосигналов цифровой» и передаются по оптоволоконному кабелю к удаленному передатчику или МЦВС, работающей в режиме «ведомый».
В высокочастотной части диапазона (СДВ-ДВ и СВ) цифровой сигнальный процессор DSP программно реализует комплексный сигнал, то есть сигнал, перенесенный на нулевую частоту. Этот комплексный сигнал переносится в FPGA на рабочую частоту и поступает на ЦАП или в один из блоков «формирователь радиосигналов цифровой» и передается по оптоволоконному кабелю к удаленному передатчику или МЦВС, работающей в режиме «ведомый».
1. Единый универсальный цифровой модуль FPGA (1) служит для связи всех частей системы и выполняет критические по времени действия, синхронизацию часов, формирование тактовых сигналов, формирование и перенос на высокие частоты спектра радиочастотного сигнала (для СДВ-ДВ и СВ диапазона).
3. Цифровой сигнальный процессор (3) формирует комплексный сигнал в каналы I и Q, который поступает на вход цифрового повышающего преобразователя и реализован на FPGA. Оба канала сигнала проходят через несколько ступеней фильтров - интерполяторов, умножаются на I и Q сигналы цифрового гетеродина и после сложения образуют перенесенный на частоту NCO выходной сигнал.
Другая важная задача, решаемая в FPGA - синхронизация работы нескольких возбудителей. Система может работать в двух режимах:
- имеется одна центральная МЦВС и она передает по оптоволоконному кабелю через два блока «формирователь радиосигналов цифровой» на два передатчика полностью сформированные для передачи сигналы. В этом режиме синхронизация не требуется, так как сигнал для передатчика передается по оптоволоконному кабелю с очень небольшой и фиксированной задержкой;
- формируемые для передатчиков сигналы передаются между возбудителями по сети Ethernet (27). В этом случае нужно организовать синхронизацию часов двух или нескольких возбудителей. Часы реализуются на FPGA и представляют собой счетчик прямого синтезатора частоты DDS, частота и фаза которого подстраиваются по сигналам синхронизации. Для синхронизации используется сеть Ethernet (27) и протокол IEEE 1588. Другой способ синхронизации - использование меток времени системы синхронизации и единого времени СЕВ (10).
4. Формирователь сигналов КНЧ-СНЧ диапазонов (4) содержит три канала: два цифровых и один аналоговый. Цифровые каналы являются основными, а аналоговый дополнительным. Цифровые каналы предназначены для передачи радиочастотных сигналов и синхронизации на усилители мощности по одномодовому оптоволокну. Сигналы могут быть переданы без помех на несколько десятков километров. Это позволяет подключать к одному возбудителю два удаленных передатчика и обеспечить их синхронную работу. Основой цифрового канала является микросхема DS 90С241 - преобразователь параллельного цифрового кода 24 бит в высокоскоростной последовательный поток данных. Для передачи данных по оптоволокну используется модуль РОМ-622.
5. Формирователь сигналов СДВ-ДВ и СВ диапазонов (5) содержит три канала: два цифровых и один аналоговый. Цифровые каналы являются основными, а аналоговый дополнительным. Цифровые каналы предназначены для передачи радиочастотных сигналов и синхронизации на усилители мощности по одномодовому оптоволокну. Полностью сформированный цифровой поток данных поступает из FPGA в ЦАП. Полученный аналоговый сигнал проходит через фильтр нижних частот и поступает на усилитель радиосигнала. Фильтр нижних частот уменьшает уровень внеполосных шумов, а усилитель доводит сигналы до нужного уровня.
6. Модуль цифро-аналогового преобразователя контроль (6). Данный блок используется для наблюдения и контроля передаваемых сигналов с помощью внешнего измерительного оборудования. В качестве ЦАП использован DA07821 разрядностью 12 бит и скоростью 20,4 MSPS.
7. Контроллер внешних связей МЦВС (7). Контроллер С1-ТГ выполняет функцию стыка для приема телеграфных сигналов. Представляет собой преобразователь уровней ±20 В в сигналы низковольтной логики. Порог переключения не более 2 В, выходное сопротивление - 1 кОм. Он реализован на компараторах LM 339. Контроллер С1-ТЧ выполняет функцию стыка для приема сигналов тональной телеграфии. Сигнал тональной телеграфии представляет собой данные, передаваемые в диапазоне звуковой частоты 300-3500 Гц. Сигналы канала ТЧ проходят входные цепи, которые нужны для защиты входа устройства, при этом трансформатор обеспечивает гальваническую развязку и поступают на кодек AD73322, который переводит их в цифровую форму. Данные с кодека AD73322 поступают на FPGA и передаются на порт MOBSP сигнального процессора. Кодек AD73322 двухканальный, таким образом, к МЦВС могут быть подключены два канала ТЧ. Контроллер RS-485. Три канала RS-485 служат для подачи команд и управления работой МЦВС. Данные каналов RS-485 обрабатываются сигнальным процессором. В качестве формирователя сигналов RS-485 выбрана микросхема ADM2682E. Такая микросхема обеспечивает скорость передачи 16 Mbps, имеет гальваническую изоляцию и встроенный источник питания.
8. Модуль управления кодовыми комбинациями «Код» (8). Этот модуль представляет собой 5 цифровых входов, приходящих на FPGA. Он позволяет проводить переключение режима работы МЦВС сменой установленной на этих входах кодовой комбинации.
9. Устройство управления и индикации (9) состоит из клавиатуры (матрица 4x4) и жидкокристаллического индикатора. Оно позволяет вводить команды и переключать режим работы МЦВС. Схема управления МЦВС реализована на FPGA.
10. Система синхронизации и единого времени СЕВ (10) обеспечивает возможность совместной работы нескольких возбудителей. То есть синхронизацию времени, частоты и фазы в диапазоне КНЧ-СНЧ используются несколько каналов синхронизации: основной - передача по оптическому кабелю и дополнительные по сети Ethernet и каналам ГЛОНАС/GPS.
11. Глобальная навигационная спутниковая система (11) обеспечивает возможность совместной работы нескольких возбудителей.
12. Интерфейсный блок сети Ethernet (12) обеспечивает:
- физическое сопряжение по сети Ethernet стандарта IEEE 802.3 (Fast Ethernet) 100 Base TX. 9 неэкранированная витая пара (UTP);
- передачу данных от блока сети Ethernet в модулятор через синхронный последовательный интерфейс в уровнях LVDS;
- двухсторонний обмен командами (сообщениями) с БУ в асинхронном режиме в старт-стопном коде в соответствии с разработанным протоколом обмена.
13. Блок электропитания (13). В зависимости от вида использования МЦВС (в составе комплекса или автономно) электропитание МЦВС осуществляется либо от комплекта питающих напряжений бортовой сети, либо от однофазной сети переменного тока 220 В частотой 50 Гц. Блок питания предназначен для обеспечения узлов МЦВС напряжениями по цепям +24 В, -24 В, +12 В, +5 В, +3,3 В, формируемого из первичного входного напряжения.
Применение МЦВС позволяет осуществлять смену программного обеспечения с целью реализации новых режимов работы перспективных радиолиний. Обновления функциональных возможностей МЦВС проводится с помощью единого интерфейса.
МЦВС обеспечивает следующие режимы управления:
- местного управления через интерфейсы объектовой сети по инфракрасному порту с переносного устройства управления;
- «дистанционного управления» через интерфейсы объектовой сети модуля.
МЦВС имеет вход и выход сигнала 10 МГц, обеспечивающие дополнительную работу одного возбудителя еще одного возбудителя от опорного генератора. МЦВС обеспечивает штатную работу РПДУ в условиях индустриальных помех. Управляющие выходы МЦВС обеспечивают подключение волоконно-оптических кабелей.
МЦВС выполнена на базе крейта Profiset по ГОСТ 28601.3-90. Размещение составных элементов выполнено на базе несущей конструкции серии EUROPAC.
Используемое в предложенной многоканальной цифровой возбудительной системе программное обеспечение устройства управления и индикации (бл. 8 Фиг. 1) позволило реализовать все режимы работы используемых в настоящее время радиолиний, в том числе и отсутствующих в прототипе радиолиний с фазовой манипуляцией (MPSK - фазовая манипуляция и когерентное детектирование, MDPSK - фазовая манипуляция и дифференциальное когерентное детектирование), обладающих лучшей помехозащищенностью относительно других методов манипуляции (Муравченко В.Л. Оценка параметров каналов передачи цифровой информации. Радиотехника, 2011, №11. Катанович А.А., Муравченко В.Л. Автоматизация управления корабельными комплексами связи ВМФ. - СПб.: Судостроение, 2014. 216 с.).
Использование многоканальной цифровой возбудительной системой сигналов системы единого времени (СЕВ) и «Глобальной навигационной системы спутниковой связи» позволило расширить функциональные возможности возбудительных устройств, а именно повысить точность установки рабочей частоты и реализовать формирование диаграмм направленности путем обеспечения требуемых фазовых сдвигов в.ч. колебаний возбудительных устройств, входящих в многоканальную цифровую возбудительную систему, по существу является продолжением совершенствования методов цифрового формирования сигналов.
При разработке цифровой возбудительной системы использованы известные принципы построения и структурные схемы передающих устройств цифровых систем. (Першин В.Т. Формирование и генерирование сигналов в цифровой радиосвязи: - Минск: ИНФРА-М, 2013. 614 с. Васин В.А., Калмыков В.В., Себекин Ю.Н., Сенин А.И., Федоров И.Б. Радиосистемы передачи информации. - М.: Горячая линия - Телеком, 2005. 472 с.)
Все предложенные в заявке технические решения реализованы в созданном на предприятии - заявителе устройстве (название) и прошли испытания с положительным результатом.
Таким образом, предлагаемые схемотехнические решения позволяют сделать вывод, что МЦВС обеспечивает расширение функциональных возможностей, совершенствование новых режимов работы перспективных радиолиний и помехозащищенности радиосвязи.