СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА СВЕРХДЛИННОВОЛНОВОЙ РАДИОСТАНЦИИ
METHOD OF GENERATING AN OUTPUT SIGNAL OF A SUPER-LONG-WAVE RADIO STATION

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в радиопередающей аппаратуре радиосвязи с режимами частотной модуляции и телеграфии, работающих в диапазоне сверхдлинных волн (СДВ) для автономной работы, а также для работы в составе систем управления радиопередающими устройствами.
Связь на сверхдлинных волнах для подводного флота имеет важное значение. Сверхдлинные волны могут проникать в воду на большую глубину и подводные объекты могут принимать сообщения на сверхдлинных волнах не всплывая.
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.
Известна многоканальная цифровая возбудительная система. Патент РФ №2691757 от 18.06.2019 Бюл. №17, Н04В 7/00. Многоканальная цифровая возбудительная система, содержит 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.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу 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, НЗЕ, R3E, А1В, FIB, 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 то, что формируемый аналоговый выходной высокочастотный (ВЧ) сигнал несущей частоты СДВ диапазона характеризуется низким качеством сигнала из-за возникающих фазовых шумов. В возбудительном устройстве ВЧ сигнал поступает на компараторы, анализирующие переход аналогового ВЧ сигнала через нулевое значение вверх и вниз и формирующие в эти моменты времени импульсы для включения соответствующих 24 тиратронов СДВ радиостанции. При этом фазовые шумы, влияющие на качество радиосвязи не учитываются.
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 способа 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 повышение качества сигнала СДВ радиостанции за счет существенного снижения шума фазы формируемого импульса.
Поставленная цель достигается тем, что предложенный способ формирования выходного сигнала сверхдлинноволновой (СДВ) радиостанции, отличающийся тем, что вначале формируются цифровые сигналы Str и Select, которые затем поступают на блок коммутации, выполняющий роль дешифратора и формирователь импульсов на выбранных оптических передатчиках, при этом для формирования цифровых сигналов с помощью внутреннего скоростного цифро-аналогового преобразователя формируется высокочастотный сигнал в сотни раз большей частоты, модулированный с установлением рода работы, а частоту ВЧ сигналов выбирают близкой к 10 МГц и равной установленной СДВ частоте, причем внутренний ВЧ сигнал поступает на один компаратор, формирующий внутренние импульсы «Строб» только при переходе внутреннего ВЧ сигнала через 0 вверх, так как ВЧ сигнал имеет частоту в N раз больше требуемой, внутренние импульсы «Строб» прореживаются для формирования выходных импульсов «Строб».
Предложенный способ формирования выходного сигнала СДВ радиостанции состоит в следующем. В возбудителе формируются цифровые сигналы Str (Строб - 1 битовый) и Select (выбор одной из 12 пар оптических передатчиков), которые затем поступают на блок коммутации, выполняющий роль дешифратора и формирователя импульсов на выбранных оптических передатчиках. Для формирования цифровых сигналов в ВУ с помощью внутреннего скоростного ЦАП формируется ВЧ сигнал в сотни раз большей частоты, модулированный в соответствии с установленным родом работ. Частота ВЧ сигнала выбирается близкой к 10 МГц и кратной установленной СДВ частоте. Например, при формировании несущей частоты 20 кГц частота внутреннего генератора будет равна 10 МГц, что в 500 раз выше. Аналогично для формирования режима ЧТ с разносом в 75 Гц будет сформирован внутренний ВЧ сигнал с центральной частотой 10 МГц и разносом частот 75 × 500 = 37,5 кГц.
Далее внутренний ВЧ сигнал поступает на один компаратор (в отличие от блока формирования импульсов), формирующий внутренние импульсы «Строб» только при переходе внутреннего ВЧ сигнала через 0 вверх. Так как ВЧ сигнал имеет частоту в N раз больше требуемой, внутренние импульсы "Строб" прореживаются для формирования выходных импульсов "Строб".
Дополнительно предложенный способ формирования выходного сигнала СДВ радиостанции позволяет использовать не два компаратора (или один с дальнейшей инверсией выхода), а один компаратор, что устраняет шумы фазы, связанные с различием частей схемы ответственных за формирование импульсов при переходе аналогового ВЧ сигнала через нулевое значение вверх и вниз.
Структурная схема возбудителя представлена на фиг.
Она содержит:
1 - блок коммутации;
2 - блок устройства формирующего (1) и (2);
3 - пульт местного управления;
4 - источник бесперебойного питания;
5 - устройства электропитания 24 В (1) и (2);
6 - Конвертер А;
7 - Конвертер Б.
Входные сигналы телеграфных каналов, каналов МПЧТ и каналов СЕВ поступают на блок коммутации 7, который их буферизирует и направляет на два блока устройства формирующего (БУФ) 2. Оба блока устройства формирующего работают в режиме «горячего» резервирования, в каждом из них осуществляется формирование выходной последовательности импульсов.
При работе от телеграфных и МПЧТ входов, а также в режиме работы "несущая" формирование выходной последовательности импульсов осуществляется следующим образом. Формирующее устройство генерирует синусоидальный сигнал частотой около 10 МГц (точное значение частоты генерируемого сигнала должно быть кратно заданной СДВ частоте), поступающей на тактовый вход ПЛИС, которая обеспечивает формирование импульсов в соответствии с коэффициентом кратности частоты и заданного вида работы.
При работе от сигналов СЕВ, входной сигнал одновременно поступает на два компаратора (детектирование фронта и спада), после чего приобретает прямоугольную форму выходных импульсов.
Сформированная в обоих случаях сигнальная последовательность импульсов от каждого блока устройства формирующего 2 возвращается в блок коммутации 1, где осуществляется выбор последовательности импульсов от одного из блока устройства формирующего, выбранного в качестве активного (по команде от системы управления РПДУ) и происходит преобразование электрических импульсов в оптические.
Оптические сигналы поступают на выходные оптические соединители для передачи в усилитель мощности РПДУ.
Пульт местного управления 3 наряду с установкой номиналов частот, режимов и видов работы обеспечивает направление линий информационного взаимодействия по стыкам RS-485, поступающих от системы управления РПДУ и от внешних комплексов Р-787МБ и «Самарканд» через конвертеры на оба блока устройства формирующего.
Электропитание устройства формирующего 2 обеспечивается от внешней электросети 50 Гц, 220 В через источник бесперебойного питания и два устройства 5 электропитания 24 В.
Конструктивно блок устройства формирующего 2 представляет собой металлический шкаф с габаритными размерами 600×600×1350 мм.
Управление блоком устройства формирующего 2 осуществляется с пульта местного управления 3.
Блок устройства формирующего 2 обеспечивает:
- формирование видов работы РПДУ: AT, ЧТ, МПЧТ, ОФТ;
- передачу информационных сигналов от аппаратуры СЕВ;
- передачу информационных сигналов под управлением аппаратуры Р-787МБ;
- передачу информационных сигналов под управлением комплекса «Самарканд»;
- прием и обработку ТЛГ сигналов, передаваемых по проводным каналам по ГОСТ 22937;
- формирование прямоугольных импульсов управления вентилями усилителя мощности и выдача их на 24 оптических выхода с параметрами выходных сигналов:
- длительность импульсов - (3,0±0,5) мкс;
- сдвиг импульсов двух соседних каналов - 0,5 периода несущей частоты;
- «горячее» резервирование работы устройства формирования импульсов;
- информационное взаимодействие с комплексом технических средств системы управления РПДУ по стыкам RS-485 и «провод-команда»;
- возможность установки номиналов частот, и видов работы как в режиме дистанционного управления, так и с панели местного управления.
Работа устройства происходит следующим образом.
При корректном подключении интерфейсных разъемов, а так же разъема питания 24 В, находящихся на обратной стороне пульта, и включении питания, должны загореться индикатор и загрузиться внутреннее программное обеспечение. В случае, если отсутствует связь с БУФ, будет отображено сообщение об ошибке.
На основном экране в реальном масштабе времени отображаются:
- частота в Гц;
- род работ на текущий момент (несущая, AT, ЧТ, ОФТ, МПЧТ, СЕВ, Вилли),
- дополнительные параметры, в зависимости от установленного рода работ (скорость манипуляции, разнос частот);
- состояние блока устройства формирующего (возможны варианты для каждого из двух блоков устройства формирующего: ОТПЕРТ, ИСПРАВЕН, АВАРИЯ. Выбранный в данный момент БУФ индицируется зеленым цветом, в случае неисправности или аварии - оранжевым);
- состояние входных сигналов:
- для телеграфного сигнала прямая линия соответствует отсутствию манипуляции, уровень сигнала на входе отображается положением линии на рисунке (нижнее положение - "0", верхнее - "1", среднее - отсутствие сигнала). Меандр на графике означает наличие манипуляции на данном входе. Аналогично с первым случаем, возможны варианты манипуляция между "0" и отсутствием сигнала, "1" и отсутствием сигнала, "0" и "1";
- для режима МПЧТ указывается текущая частотная позиция в десятичной системе (число от 0 до 15) - для ВЧ, СЕВ1 и СЕВ2 отображается относительный уровень сигнала. Полностью закрашенный прямоугольник означает максимальный;
- уровень, полностью пустой - минимальный;
- используемый в данный момент вход имеет инвертированный (зеленый) фон.
Выбор режима управления осуществляется нажатием кнопки "МЕСТНОЕ/ДИСТАНЦИЯ", текущий режим отображается индикаторными светодиодами, находящимися слева от кнопки. Переход в режим местного управления может быть запрещен с терминала управления ПУ РПДУ.
В режиме дистанционного управления все кнопки клавиатуры за исключением "МЕСТНОЕ/ДИСТАНЦИЯ" заблокированы.
В режиме местного управления можно осуществлять установку частоты, выбор рода работ, ввод и отмену ввода данных, выбор блока устройства формирующего, отпирание и запирание блока устройства формирующего.
Установка частоты осуществляется нажатием кнопки "ЧАСТОТА" с последующим вводом целочисленного значения частоты в Гц с использованием цифровой клавиатуры. Отмена ввода последнего символа осуществляется нажатием "ОТМЕНА". Подтверждение ввода - нажатием "ВВОД".
Выбор рода работ осуществляется нажатием кнопки "РОД РАБОТ" с последующим выбором параметров рода работ из списка. Навигация по спискам осуществляется кнопками "2", "4", "6", "8", подтверждение ввода - нажатием "ВВОД", отмена ввода и возврат на основной экран - нажатием кнопки "ОТМЕНА".
Выбор входа осуществляется нажатием кнопки "ВХОД" с последующим выбором с помощью цифровой клавиатуры названия входа из списка и подтверждения или отмены ввода нажатием кнопок "ВВОД" и "ОТМЕНА", соответственно.
Выбор блока устройства формирующего осуществляется нажатием соответствующей кнопки - "БУФ1" или "БУФ2". В случае, если переключение между блоками в данный момент возможно (выбранный блок устройства формирующего исправен и операция разрешена), то изменения отобразятся на основном экране изменением цвета фона одного из блоков на зеленый.
Отпирание и запирание блока устройства формирующего 2 осуществляется нажатием кнопки "ОТПИРАНИЕ". Если операция в данный момент разрешена и выбранный блок устройства формирующего исправен, то его состояние изменится на противоположное, что будет отображено текстом "ОТПЕРТ" или "ИСПРАВЕН" под названием выбранного блока устройства формирующего. Так же о том, что один из блоков отперт, индицирует светодиод слева от кнопки "ОТПИРАНИЕ".
В предложенном способе и возбудительном устройстве по сравнению с прототипом, сигнал поступающий на компараторы имеет в сотни раз более высокую частоту. Следовательно, и скорость нарастания сигнала в сотни раз выше, что приводит к кратному снижению шума фазы формируемого импульса и значительному повышению качества сигнала СДВ радиостанции.