КОРОТКОВОЛНОВАЯ РАДИОСТАНЦИЯ С ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛА

Предлагаемая полезная модель относится к области радиосвязи и может быть использована для передачи речевой 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 радиостанция Р-168-5КН, разработанная ОАО «Концерн «Созвездие» (изделие «Акведук» ИТНЯ. 464511.025) и выпускаемая отечественной промышленностью, принятая за прототип.
Функциональная схема устройства - прототипа представлена на фиг.1, 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, 51 - первый, … третий преобразователи частоты;
9, 11 - первый и второй усилители первой промежуточной частоты;
10, 20, 39, 41, 48, 49 - первый, … шестой кварцевые фильтры;
13, 19, 40, 50 - первый, … четвертый 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;
42 - регулируемый усилитель;
43 - детектор однополосного сигнала;
44, 46 - первый и второй усилители звуковой частоты;
45 - амплитудный детектор;
47 - балансный модулятор;
52 - делитель частоты.
Устройство - прототип содержит последовательно соединенные двунаправленными связями антенну 1, 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, третий кварцевый фильтр 39, третий УВЧ 40, четвертый кварцевый фильтр 41, регулируемый усилитель 42, детектор однополосного сигнала 43, первый усилитель звуковой частоты 44 и амплитудный детектор 45, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого усилителя 42; последовательно соединенные МЭВМ 21, второй усилитель второй звуковой частоты 46, балансный модулятор 47, пятый кварцевый фильтр 48, шестой кварцевый фильтр 49, четвертый усилитель высокой частоты 50, третий преобразователь частоты 51, второй кварцевый фильтр 20 и второй УВЧ 19, выход которого соединен со вторым входом второго коммутатора 8, второй выход которого соединен со входом первого усилителя первой промежуточной частоты 9. Кроме того, выход первого усилителя звуковой частоты 44 соединен с первым входом МЭВМ 21, низкочастотный вход которой соединен с микрофоном 22, а низкочастотный выход - с головным телефоном 23. Причем, 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 вторыми входами второго 12 и третьего 51 преобразователей частоты. Кроме того, МЭВМ 21 содержит пять выходов сигналов управления, которые соединены соответственно с управляющими входам антенного коммутатора 3, аттенюатора 4, первого коммутатора 5, блока полосовых фильтров 6 и второго коммутатора 8.
Устройство - прототип работает следующим образом.
В режиме приема входной сигнал с антенны 1 через САУ 2 и антенный коммутатор 3 поступает на аттенюатор 4, имеющий пределы ослабления 0/20 дБ. Управление работой аттенюатора 3 осуществляется по внешней команде МЭВМ 21. 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. 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 первого гетеродина поступает от первого синтезатора опорной частоты 17, формирующего сигналы частот от 64 92,5 МГц с шагом 2 кГц из опорного сигнала блока 16.
пч1
Для компенсации потерь выходной сигнал преобразователя с частотой первой ПЧ F=62,5 МГц после второго коммутатора 8 усиливается первым 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 во втором кварцевом фильтре 10.
пч2
С выхода блока 11 сигнал поступает на второй преобразователь частоты 12, собранный по схеме, аналогичной первому. Частота второго гетеродина равна 57,5 МГц ±1 кГц, шаг - 100 Гц. Гетеродинный сигнал поступает от второго синтезатора опорной частоты 18. С выхода второго преобразователя частоты 12 сигнал через первый УВЧ 13 поступает на третий кварцевый фильтр 39, предназначенный для выделения однополосного сигнала с нижней боковой полосой (3 кГц) на частоте F=5 МГц.
Для компенсации потерь в блоке 39 используется третий УВЧ 40, обладающий малым уровнем собственных шумов, для обеспечения минимальной неравномерности АЧХ в полосе пропускания фильтра. Применение четвертого кварцевого фильтра 41 обусловлено необходимостью обеспечения избирательности тракта по соседнему каналу не менее 80 дБ.
вых
С выхода блока 41 сигнал через регулируемый усилитель 42 поступает на детектор однополосного сигнала 43, где формируется сигнал звуковой частоты. Первый усилитель звуковой частоты 44 обеспечивает выходной уровень сигнала U=500-700 мв на нагрузке 3 кОм, который через ячейку сопряжения МЭВМ 21 поступает на головной телефон 23.
В режиме автоматической регулировки усиления (АРУ) звуковой сигнал с выхода блока 44 подается на амплитудный детектор 45 с постоянной времени заряда менее 10 мс и с постоянной времени разряда более 2 с. Напряжение АРУ поступает на управляющий вход регулируемого усилителя 42 второй промежуточной частоты.
пч1
В режиме передачи звуковой сигнал с микрофона 22 через ячейку сопряжения МЭВМ 21 и второй усилитель звуковой частоты 46 поступает на балансный модулятор 47. Частота гетеродина формируется из частоты опорного сигнала блока 16 с помощью деления на два в блоке 52. Из сформированного двухполосного сигнала с помощью пятого 48 и шестого 49 кварцевых фильтров выделяется сигнал с нижней боковой полосой. Четвертый УВЧ 50 осуществляет компенсацию потерь в фильтрах. С выхода блока 50 сигнал поступает на третий преобразователь частоты 51, на второй вход которого подается сигнал с блока 18. В блоке 51 осуществляется перенос спектра однополосного сигнала с частоты 5 МГц на промежуточную частоту 62,5 МГц. Затем сигнал через второй кварцевый фильтр 20, второй УВЧ 19 и второй коммутатор 8 подается на третий 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, 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.
Описанная «классическая» схема построения приемо-передающего тракта обладает рядом недостатков.
В режиме приема применение кварцевых фильтров в цепях обработки однополосных сигналов приводит к значительному увеличению массо-габаритных характеристик радиостанции, неравномерности фазово-частотных характеристик тракта, восприимчивости к импульсным помехам.
В режиме передачи применение балансного модулятора в цепях формирования однополосного сигнала делает задачу подавления несущей достаточно трудоемкой, а использование кварцевых фильтров влечет за собой описанные недостатки приемного тракта.
В предлагаемой полезной модели решается задача создания коротковолновой радиостанции с цифровой обработкой сигнала, со стабильной фазово-частотной характеристикой тракта, не восприимчивой к импульсным помехам. Достигаемый при этом технический результат -увеличение динамического диапазона, улучшение параметров электромагнитной совместимости.
Для решения поставленной задачи в известную 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), низкочастотный вход которой соединен с микрофоном, низкочастотный выход МЭВМ соединен с головным телефоном; а выходы сигналов управления МЭВМ соединены соответственно с управляющими входами антенного коммутатора, аттенюатора, первого коммутатора, блока полосовых фильтров и второго коммутатора, согласно изобретению, введены последовательно соединенные первый перемножитель сигналов, первый преобразователь частоты дискретизации (ПЧД) и первый цифровой фильтр; последовательно соединенные второй перемножитель сигналов, второй ПЧД и второй цифровой фильтр; последовательно соединенные третий ПЧД и третий перемножитель сигналов; последовательно соединенные четвертый ПЧД и четвертый перемножитель сигналов; а также первый и второй синтезаторы частот, блок формирования однополосного сигнала, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), при этом, вход АЦП соединен с выходом первого УВЧ, а выход АЦП соединен с первыми входами первого и второго перемножителей сигналов, вторые входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами первого синтезатора частот; первый и второй выходы второго синтезатора частот соединены соответственно со вторыми входами третьего и четвертого перемножителей сигналов, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами блока формирования однополосного сигнала, выход которого через ЦАП соединен со входом второго кварцевого фильтра; выходы первого и второго цифровых фильтров соединены соответственно с первым и вторым входами МЭВМ, первый и второй выходы которой соединены соответственно со входами третьего и четвертого ПЧД.
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 - 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;
21 - микроэлектронная вычислительная машина (МЭВМ);
22 - микрофон;
23 - головной телефон;
24 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
25, 29, 33, 37 - первый, второй, третий и четвертый перемножители сигналов;
26, 30, 32, 36 - первый, второй, третий и четвертый преобразователи частоты дискретизации (ПЧД);
27, 31 - первый и второй цифровые фильтры;
28, 38 - первый и второй синтезаторы частот;
34 - блок формирования однополосного сигнала;
35 - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП);
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 аналого-цифровой преобразователь 24; последовательно соединенные блок формирования однополосного сигнала 34, цифро-аналоговый преобразователь 35, второй кварцевый фильтр 20 и второй УВЧ 19, выход которого соединен со вторым входом второго коммутатора 8, второй выход которого соединен со входом первого усилителя первой промежуточной частоты 9; последовательно соединенные первый перемножитель сигналов 25, первый преобразователь частоты дискретизации (ПЧД) 26 и первый цифровой фильтр 27, выход которого соединен с первым входом МЭВМ 21; последовательно соединенные второй перемножитель сигналов 29, второй ПЧД 30 и второй цифровой фильтр 31, выход которого соединен со вторым входом МЭВМ 21; выход АЦП 24 соединен с первыми входами первого 25 и второго 29 перемножителей сигналов, вторые входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами первого синтезатора частот 28; первый выход МЭВМ 21 через последовательно соединенные третий ПЧД 32 и третий перемножитель сигналов 33 соединен с первым входом блока формирования однополосного сигнала 34; второй выход МЭВМ 21 через последовательно соединенные четвертый ПЧД 36 и четвертый перемножитель сигналов 37 соединен со вторым входом блока формирования однополосного сигнала 34; низкочастотный вход МЭВМ 21 соединен с микрофоном 22, а низкочастотный выход - с головным телефоном 23. 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. Кроме того, МЭВМ 21 содержит пять выходов сигналов управления, которые соединены соответственно с управляющими входам антенного коммутатора 3, аттенюатора 4, первого коммутатора 5, блока полосовых фильтров 6 и второго коммутатора 8.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
В режиме приема входной сигнал с антенны 1 через САУ 2 и антенный коммутатор 3 поступает на аттенюатор 4, имеющий пределы ослабления 0/20 дБ. Управление работой аттенюатора 4 осуществляется по внешней команде МЭВМ 21. 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 управляющей команде от МЭВМ 21. 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 частот 17, формирующего сигналы частот от 64 МГц до 92,5 МГц с шагом 2 кГц из опорного сигнала блока 16.
пч1
Для компенсации потерь, возникших в блоке 7, выходной сигнал с частотой первой промежуточной частоты F=62,5 МГц, пройдя через второй коммутатор 8, усиливается в первом усилителе 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 первый вход второго преобразователя частоты 12, собранного по схеме, аналогичной первому. Частота второго гетеродина равна 57,5 МГц. Гетеродинный сигнал поступает от второго синтезатора частот 18. С выхода второго преобразователя частоты 12 сигнал второй ПЧ усиливается в УВЧ 13, а затем подается на вход АЦП 24, где осуществляется аналого-цифровое преобразование входного сигнала. Дискретный сигнал с выхода АЦП 24 поступает на первые входы первого 25 и второго 29 перемножителей сигналов. При этом, на второй вход первого перемножителя сигналов 25 поступает синусная компонента сигнала с первого выхода первого синтезатора частот 28, а на второй вход второго перемножителя сигналов 29 поступает косинусная компонента сигнала со второго выхода первого синтезатора частот 28. С выхода блоков 25 и 29 квадратурные компоненты входного сигнала третьей ПЧ поступают соответственно на первый 26 и второй 30 ПЧД, где частота дискретизации сигналов понижается до рабочей. Эта процедура необходима для уменьшения вычислительной производительности при обработке цифровых сигналов. С первого 26 и второго 30 ПЧД сигналы поступают соответственно на первый 27 и второй 31 цифровые фильтры, где осуществляется фильтрация в соответствии с полосой низкочастотного (НЧ) сигнала. Квадратурные компоненты НЧ сигнала поступают в МЭВМ 21, где осуществляется демодуляция сигнала, декодирование и выдача речевого сигнала через ячейку согласования МЭВМ 21 на головной телефон 23.
пч1
В режиме передачи с микрофона 22 речевой сигнал поступает на ячейку согласования МЭВМ 21. Далее в МЭВМ 21 осуществляется кодирование и формирование квадратурных компонент сигнала, и квадратурные компоненты НЧ сигнала с соответствующих первого и второго выходов МЭВМ 21 поступают соответственно на третий 32 и четвертый 36 ПЧД, где происходит увеличение частоты дискретизации квадратурных компонент сигнала. С выхода третьего 32 и четвертого 36 ПЧД квадратурные компоненты сигнала поступают соответственно на первые входы третьего 33 и четвертого 37 перемножителей сигналов. При этом, на второй вход третьего перемножителя сигналов 33 поступает синусная компонента сигнала первой ПЧ с первого выхода второго синтезатора частот 38, а на второй вход четвертого перемножителя сигналов 38 поступает косинусная компонента сигнала первой ПЧ со второго выхода второго синтезатора частот 38. С выходов третьего 33 и четвертого 37 перемножителей сигналов квадратурные компоненты сигнала первой ПЧ поступают соответственно на первый и второй входы блока формирования однополосного сигнала 34, где квадратурные компоненты сигнала суммируются, осуществляется формирование сигнала одной боковой полосы и подавление несущей фазово-фильтровым методом. С выхода блока формирования однополосного сигнала 34 дискретный сигнал первой ПЧ поступает на ЦАП 35, где преобразовывается в аналоговый сигнал первой ПЧ. Далее сигнал первой ПЧ через второй кварцевый фильтр 20, второй УВЧ 19 и второй коммутатор 8 подается на первый преобразователь частоты 7, работающий 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, осуществляется выделение сигнала на рабочей частоте. Сигнал рабочей частоты с выхода блока 6, пройдя через первый коммутатор 5, подается на предварительный усилитель 15, а затем на усилитель мощности 14, после чего через антенный коммутатор 3 и САУ 2 поступает в антенну 1.
При этом, МЭВМ 21 формирует управляющие сигналы для переключения антенного коммутатора 3, а также первого 5 и второго 8 коммутаторов в режимах приема и передачи.
Таким образом, радиостанция 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.
Функционирование предлагаемого устройства отличается от аналогов тем, что демодуляция (модуляция) и обработка принимаемого (передаваемого) сигнала производится на промежуточной частоте.
В режиме приема сигнал на второй промежуточной частоте оцифровывается, обрабатывается и подается на МЭВМ, где происходит выделение требуемой боковой полосы с необходимой амплитудной и фазовой частотными характеристиками программным способом.
Применение цифровой обработки сигнала позволяет получить требуемую линейность ФЧХ и АЧХ в полосе пропускания фильтра, что дает возможность использовать приемник для работы с высокоскоростными модемами, предъявляющими высокие требования к данным характеристикам. Большая разрядность АЦП и высокая линейность приемного тракта позволяет обеспечивать высокий динамический диапазон, что значительно сказывается на восприимчивости к блокированию.
В режиме передачи формирование требуемой боковой полосы производится в цифровом виде квадратурным способом сразу на промежуточной частоте. Отсутствие побочных каналов излучения и более узкий спектр излучаемого сигнала позволяет улучшить электромагнитную совместимость с работающими рядом радиостанциями.
Таким образом, предлагаемое устройство работает эффективно.
Устройство реализуется на базе блоков и микросхем, известных из технической литературы.