ПРИЕМНЫЙ РАДИОЦЕНТР

Полезная модель относится к радиосвязи и может быть использована в коротковолновых радиоузлах стационарного и мобильного типов.
Известны приемные радиоцентры коротковолновой (KB) радиосвязи, обеспечивающие одновременное взаимодействие с радиоабонентами на радиотрассах различных направлений и протяженности при изменяющихся рабочих частотах. В состав приемных радиоцентров (ПрмЦ) входят комплект приемных антенн коллективного пользования, коммутационно-
распределительный тракт, выходы которого соединены со входами N радиоприемных устройств (по количеству одновременно обслуживаемых радиоабонентов), N демодуляторов, комплект промежуточной и оконечной аппаратуры (аппаратура внутриузловой связи, аппаратура уплотнения и каналообразования, оконечная аппаратура), пульт оператора [1, 2]. Недостатками этих приемных радиоцентров являются:
- значительные площади, необходимые для размещения комплектов полноразмерных коротковолновых приемных антенн коллективного пользования, обеспечивающие в диапазоне рабочих частот взаимодействие ПрмЦ с радиоабонентами на радиотрассах различных направлений (азимутов) и различных протяженностей.
- низкая помехоустойчивость ПрмЦ, обусловленная наличием группового коммутационно-распределительного тракта с широкополосными высокочастотными усилителями на входах, компенсирующих потери при делении мощности выходного сигнала приемной антенны на входы радиоприемных устройств [1].
Известен приемный радиоцентр, содержащий антенно-фидерное устройство коллективного пользования (антенный элемент), многоканальное радиоприемное устройство (МРПУ), устройство демодуляции и декодирования сигналов, при этом МРПУ содержит согласующее распределительное устройство на М выходов, вход которого является входом МРПУ и соединен с выходом антенного элемента, каждый из М выходов согласующего распределительного устройства соединен с входом последовательно соединенных через свои входы и выходы высокочастотного тракта, коммутатора сигналов, управляемого аттенюатора, аналого-цифрового преобразователя (АЦП), выходы которых подключены ко входам цифрового вычислителя, выходы цифрового вычислителя, представляющего собой матричный коммутатор и набор цифровых радиоприемных устройств, соединены со входом группового демодулятора сигналов, вход дополнительного гетеродинного тракта приема подключен ко вторым выходам коммутаторов сигналов, управляющие входы которых подключены к управляющим выходам группового демодулятора сигналов, а выход гетеродинного тракта приема, являющийся выходом дополнительного АЦП через дополнительный вход и выход
цифрового вычислителя соединен с входом группового демодулятора сигналов, выход которого является выходом приемного радиоцентра [3].
Существенными недостатками этого приемного радиоцентра являются:
- ограниченный сектор обслуживания по азимуту, определяемый шириной диаграммы направленности антенно-фидерного устройства коллективного пользования (антенного элемента);
- низкая помехоустойчивость, обусловленная расходящимся характером изменения угла возвышения биссектрисы диаграммы направленности коротковолновых антенн широкого применения и угла прихода принимаемого сигнала (луча), отраженного от ионосферы, при изменении суточных гелиофизических условий распространения KB радиосигнала [4, 5];
- ограниченные функциональные возможности, обусловленные отсутствием автоматизированного управления и контроля функционирования приемного радиоцентра.
Задачами, которые решается предлагаемой полезной моделью - приемным радиоцентром, являются увеличение сектора обслуживания по азимуту приемным радиоцентром, повышение помехоустойчивости и расширение функциональных возможностей.
Решение поставленных задач достигается тем, что в приемный радиоцентр, содержащий антенный элемент, многоканальное радиоприемное устройство (МРПУ), устройство демодуляции и декодирования сигналов, МРПУ содержит согласующее распределительное
устройство на М выходов, вход которого является входом МРПУ и соединен с выходом антенного элемента, каждый из М выходов согласующего распределительного устройства соединен с входом каждого из М аналого-цифровых трактов, состоящих из аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и последовательно соединенных через свои входы и выходы высокочастотного тракта (перестраиваемого полосно-пропускающего фильтра - ППФ), управляемого аттенюатора, причем, вход ППФ является входом аналого-цифрового тракта, введены (N-1) дополнительных антенных элементов, выходы которых подключены ко входам (N-1) дополнительных многоканальных радиоприемных устройств (МРПУ), при этом все N антенных элемента размещаются на местности в соответствии с заданной конфигурацией (линейной, кольцевой, решетчатой, нерегулярной), вход АЦП через выход и вход высокочастотного усилителя соединен с выходом управляемого аттенюатора, выход АЦП соединен с первым входом цифрового преобразователя, входящего в состав аналого-цифрового приемного тракта, при этом цифровой преобразователь содержит последовательно соединенные квадратурный преобразователь, вход которого является входом цифрового преобразователя, выход косинусной составляющей квадратурного преобразователя соединен через вход и выход первого цифрового фильтра нижних частот (ЦФНЧ) со входом первого децимирующего фильтра (ДФ), выход которого, как и выход второго ДФ, соединен с соответствующими входами мультиплексора МРПУ, вход второго ДФ соединен через выход и вход второго ЦФНЧ с выходом
синусной составляющей квадратурного преобразователя, на косинусный и синусный входы опорного сигнала которого поступают сигналы с косинусного и синусного выходов соответственно цифрового синус-косинусного генератора (ЦСКГ), первые и вторые управляющие выходы блока управления и синхронизации (БУС) МРПУ соединены с управляющими входами ППФ и управляемого аттенюатора соответственно каждого из М аналого-цифровых приемных трактов МРПУ, второй управляющий вход-выход БУС МРПУ соединен с управляющим входом-выходом ЦСКГ цифрового преобразователя, третий выход БУС МРПУ подключен ко входу опорного сигнала ЦСКГ цифрового преобразователя, первые (косинусные) и вторые (синусные) выходы каждого из М аналого-цифровых приемных трактов соединены с соответствующими входами мультиплексора МРПУ, первый вход-выход которого соединен с первым управляющим входом-выходом БУС МРПУ, первый выход опорного сигнала мультиплексора МРПУ соединен с первым входом опорного сигнала БУС МРПУ, второй выход мультиплексора МРПУ соединен со вторым входом тестовых сигналов БУС МРПУ, через четвертый выход БУС МРПУ тестовые сигналы поступают на второй вход согласующего распределительного устройства, вторые входы-выходы мультиплексора МРПУ каждого из N МРПУ, являющиеся входом-выходом МРПУ, соединены через линии связи МРПУ с соответствующими первыми входами-выходами мультиплексора сети приемного радиоцентра, первые выходы которого соединены с первыми входами блока формирования
диаграмм направленностей (БФДН), М информационных выходов которого соединены с М информационными входами устройства демодуляции и декодирования сигналов, М аналоговых информационных выходов которого подключены к М входам коммутатора информационных каналов, М выходов дискретной информации (данных) устройства демодуляции и декодирования сигналов соединены с М входами блока контроллеров (БК), первые входы-выходы которого соединены с управляющими входами-выходами устройства демодуляции и декодирования сигналов, вторые входы-выходы БК подключены к соответствующим первым управляющим входам-выходам коммутатора информационных каналов, вторые входы-выходы которого соединены с первыми входами-выходами аппаратуры уплотнения и каналообразования (АУК), при этом вторые входы-выходы АУК являются входами-выходами приемного радиоцентра, а третьи входы-выходы АУК соединены с третьими входами-выходами БК, четвертые входы-выходы которого соединены с входами-выходами аппаратуры передачи данных, пятые входы-выходы БК соединены с входами-выходами ЭВМ, являющейся пультом оператора приемного радиоцентра, шестые входы-выходы БК соединены с управляющими входами-выходами генератора тестовых сигналов, выходы коммутатора информационных каналов соединены со входами оконечной аппаратуры, первые управляющие входы-выходы БФДН соединены с седьмыми входами-выходами БК, первый вход БФДН, так же как и (М+1)-й синхронизирующий вход блока демодуляторов, соединен с первым выходом блока опорных
сигналов, вторые выходы которого соединены с первыми входами мультиплексорами сети приемного радиоцентра, вторые управляющие входы-выходы мультиплексора сети приемного радиоцентра соединены с восьмыми входами-выходами БК, а второй вход мультиплексора сети приемного радиоцентра соединен с выходом генератора тестовых сигналов.
1
2
1
1
М
2
N
1
N
На фиг.1 показана структурная схема приемного радиоцентра, содержащего антенный элемент 1, (N-1) дополнительных антенных элементов (1...1N), многоканальное радиоприемное устройство (МРПУ) 2, содержащее согласующее распределительное устройство 3, М аналого-цифровых трактов (4...4), содержащих высокочастотный тракт (перестраиваемый полосно-пропускающий фильтр - ППФ) 5, управляемый аттенюатор 6, высокочастотный усилитель 7, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, цифровой преобразователь 9, содержащий квадратурный преобразователь 10, первый цифровой фильтр нижних частот (ЦФНЧ) 11, первый децимирующий фильтр (ДФ) 12, второй ЦФНЧ 13, второй ДФ 14, управляемый цифровой синус-косинусный генератор (ЦСКГ) 15, блок управления и синхронизации (БУС) МРПУ 16, мультиплексор МРПУ 17, (N-1) дополнительных МРПУ (2...2), N линий связи МРПУ (18...18), мультиплексор сети приемного радиоцентра 19, блок формирования диаграмм направленностей (БФДН) 20, устройство демодуляции и декодирования сигналов 21, блок контроллеров (БК) 22, блок опорных сигналов 23, коммутатор информационных каналов 24, оконечная аппаратура 25, аппаратуры уплотнения и каналообразования (АУК) 26,
аппаратура передачи данных 27, ЭВМ (пульт оператора приемного радиоцентра) 28, генератор тестовых сигналов 29.
1
N
1
N
1
М
1
n
Взаимосвязь между элементами приемного центра осуществляется следующим образом. Антенные элементы (1...1) своими выходами подключены к входам многоканальных радиоприемных устройство (МРПУ) (2...2), входы которых являются входами согласующего распределительного устройства 3 на М выходов. Каждый из М выходов согласующего распределительного устройства 3 соединен с входом каждого из М аналого-цифровых трактов (4...4), состоящих из последовательно соединенных через свои входы и выходы высокочастотного тракта (перестраиваемого полосно-пропускающего фильтра - ППФ) 5, управляемого аттенюатора 6, высокочастотного усилителя 7, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 8, причем, вход ППФ 5 является входом аналого-цифрового тракта 4. Все N антенных элементов (1...1) размещаются на местности в соответствии с заданной конфигурацией (линейной, кольцевой, решетчатой, нерегулярной). Выход АЦП 8 соединен с первым входом цифрового преобразователя 9, входящего в состав аналого-цифрового приемного тракта 4, при этом цифровой преобразователь 9 содержит последовательно соединенные квадратурный преобразователь 10, вход которого является входом цифрового преобразователя 9, выход косинусной составляющей квадратурного преобразователя 10 соединен через вход и выход первого цифрового фильтра нижних частот (ЦФНЧ) 11 с входом первого децимирующего фильтра (ДФ) 12, выход которого, как и
выход второго ДФ 14, соединен с соответствующими входами мультиплексора МРПУ 17, вход второго ДФ 14 соединен через выход и вход второго ЦФНЧ 13 с выходом синусной составляющей квадратурного преобразователя 10. На косинусный и синусный входы опорного сигнала квадратурного преобразователя 10 поступают сигналы с косинусного и синусного выходов соответственно цифрового синус-косинусного генератора (ЦСКГ) 15. Первые и вторые управляющие выходы блока управления и синхронизации (БУС) МРПУ 16 соединены с управляющими входами ППФ 5 и управляемого аттенюатора 6 соответственно каждого из М аналого-цифровых приемных трактов 4 МРПУ 2, второй управляющий вход-выход БУС МРПУ 16 соединен с управляющим входом-выходом ЦСКГ 15 цифрового преобразователя 9, третий выход БУС МРПУ 16 подключен ко входу опорного сигнала ЦСКГ 15 цифрового преобразователя 9, а первые (косинусные) и вторые (синусные) выходы каждого из М аналого-цифровых приемных трактов 4 соединены с соответствующими входами мультиплексора МРПУ 17. Первый вход-выход мультиплексора МРПУ 17 соединен с первым управляющим входом-выходом БУС МРПУ 16, первый выход опорного сигнала мультиплексора МРПУ 17 соединен с первым входом опорного сигнала БУС МРПУ 16, второй выход мультиплексора МРПУ 17 соединен со вторым входом тестовых сигналов БУС МРПУ 16. Через четвертый выход БУС МРПУ 16 тестовые сигналы поступают на второй вход согласующего распределительного устройства 3, вторые входы-выходы мультиплексора МРПУ 17 каждого из N МРПУ
1
N
1
N
(2...2), являющиеся входом-выходом МРПУ 2, соединены через линии связи МРПУ(18...18) с соответствующими первыми входами-выходами мультиплексора сети 19 приемного радиоцентра. Первые выходы мультиплексора сети 19 соединены с первыми входами блока формирования диаграмм направленностей (БФДН) 20, М информационных выходов которого соединены с М информационными входами устройства демодуляции и декодирования сигналов 21. Аналоговые информационные выходы (1...М) устройства демодуляции и декодирования сигналов 21 подключены к (1...М) входам коммутатора информационных каналов 24, М выходов дискретной информации (данных) устройства демодуляции и декодирования сигналов 21 соединены с М входами блока контроллеров (БК) 22, первые входы-выходы которого соединены с управляющими входами-выходами устройства демодуляции и декодирования сигналов 21. Вторые входы-выходы БК 22 подключены к соответствующим первым управляющим входам-выходам коммутатора информационных каналов 24, вторые входы-выходы которого соединены с первыми входами-выходами аппаратуры уплотнения и каналообразования (АУК) 26, при этом вторые входы-выходы АУК 26 являются входами-выходами приемного радиоцентра, а третьи входы-выходы АУК 26 соединены с третьими входами-выходами БК 22. Четвертые входы-выходы БК 22 соединены с входами-выходами аппаратуры передачи данных 27, пятые входы-выходы БК 22 соединены с входами-выходами ЭВМ 28, являющейся пультом оператора приемного радиоцентра, шестые входы-выходы БК 22 соединены
с управляющими входами-выходами генератора тестовых сигналов 29. Выходы коммутатора информационных каналов 24 соединены с входами оконечной аппаратуры 25, первые управляющие входы-выходы БФДН 20 соединены с седьмыми входами-выходами БК 22, первый вход БФДН 20, так же как и (М+1)-й синхронизирующий вход устройства демодуляции и декодирования 21, соединен с первым выходом блока опорных сигналов 23. Вторые выходы блока опорных сигналов 23 соединены с первыми входами мультиплексорами сети 19 приемного радиоцентра, вторые управляющие входы-выходы мультиплексора сети 19 приемного радиоцентра соединены с восьмыми входами-выходами БК 22, а второй вход мультиплексора сети 19 приемного радиоцентра соединен с выходом генератора тестовых сигналов 29.
Приемный радиоцентр работает следующим образом. Перед началом проведения сеансов с радиоабонентами в ЭВМ (пульт оператора) 28 загружается специальное программное обеспечение (СПО) и исходные данные по ведению сеансов связи:
1
N
i
i
i
i
1
N
- координаты размещения на местности всех антенных элементов (1...1): R (x, у, z), i=(1, 2,...N), относительно фазового центра антенной решетки (АР), образованной антенными элементами (1...1);
- значения параметров радиотрасс (азимуты, протяженности) прихода сигналов от радиоабонентов;
m
- значения рабочих частот [длин волн λ, m=(1...М)] сигналов, поступающих от радиоабонентов;
- режимы работы с каждым радиоабонентом (характер принимаемой информации - речевая, данные; скорость поступления данных; классы излучения принимаемых сигналов и т.д.).
1
N
Σi,m
i,m
i
m
С использованием СПО и введенных исходных данных для каждого антенного элемента (1...1) определяется величина пространственного набега фазы Ф на расстоянии d при формировании m-ой диаграммы направленности, являющаяся скалярным произведением векторов R и r([5], с.164):
m
хm
уm
zm
где: - r={ξ, ξ, ξ} - единичный вектор, определяющий направление в пространстве m-го приходящего луча от радиоабонента, и, следовательно, положение в пространстве m-й биссектрисы формируемой диаграммы направленности, m=(1...M);
i
- R - вектор, соединяющий фазовый центр приемной АР, образованной антенными элементами, с местом размещения антенного элемента в пространстве, определен ранее.
Σi,m
С учетом исходных и расчетных данных ЭВМ 28 с использованием СПО вырабатывает коды управляющих сигналов для каждых из (N*M) ППФ 5, управляемых аттенюаторов 6, ЦСКГ 15 и БФДН 20. Значения кодов управляющих сигналов, поступающих на БФДН 20 определяется целой частью необходимого набега фазы Ф i-го антенного элемента при формировании m-й диаграммы направленности:
i,m
m
1
М
m
1
М
Σi,m]
8
где: k=0, 1, 2 - целое число; с=3*10 м/сек; τ - период квантования АЦП 8; λ - длина волны принимаемого сигнала m-го аналого-цифрового тракта (4...4), m=(1...М), ]...[ - знак выделения целой части числа. Значения кодов управляющих сигналов, поступающих на ЦСКГ 15, определяются λ - длиной волны принимаемого сигнала m-го аналого-цифрового тракта (4...4), m=(1...М) и дробной частью необходимого набега фазы [Ф:
-
i,m
i,m
i,m
Σi,m
1
N
1
N
где: (k+Δk)=d/(с*τ); [...] - знак выделения дробной части числа. Такое представление необходимого набега фазы Ф i-го антенного элемента при формировании m-й диаграммы направленности обеспечивает минимальную ошибку формирование плоского фронта волны сигнала, приходящего от m-го радиоабонента. Управляющие сигналы с выхода ЭВМ 28 через пятые и восьмые входы-выходы БК 22, вторые и первые входы-выходы мультиплексора сети ПРМЦ 19, линии связи МРПУ 18...18, вторые и первые входы-выходы мультиплексоров МРПУ 17, БУС МРПУ 16 поступают на управляющие входы ППФ 5, управляемого аттенюатора 6, ЦСКГ 15 каждого из (N*M) аналого-цифровых трактов 4. После настройки всех аналого-цифровых трактов 4 производится их проверка с помощью генератора тестовых сигналов 29, выход которого через второй вход мультиплексора сети ПРМЦ 19, линии связи МРПУ 18...18, через второй выход мультиплексора МРПУ 17 и четвертый
1
М
1
M
1
N
1
N
1
1
N
выход БУС МРПУ16 подключается ко второму входу каждого из N согласующего распределительного устройства 3. Тестовые сигналы с частотами, соответствующими частотам настройки аналого-цифровых трактов 4...4, поступают на входы этих трактов. Пройдя через весь тракт, тестовые сигналы с выходов аналого-цифровых трактов 4...4 поступают на входы устройства демодуляции и декодирования 21, в котором с помощью СПО и под управлением ЭВМ 28 принимается решение об исправности каждого тракта и ПРМЦ в целом. После этого тестовые сигналы отключаются от второго входа согласующего распределительного устройства 3 и на его первый вход подаются сигналы с выхода антенного элемента 1...1, поступающие от радиоабонентов. Сигналы с выходов согласующего распределительного устройства 3 каждого из МРПУ 2...2поступают на входы аналого-цифровых трактов 4...4 м каждого из МРПУ 2...2.
1
М
1
N
i
i
1
М
1
N
Входные сигналы (M×N) аналого-цифровых трактов 4...4 каждого из МРПУ 2...2 преобразуется с помощью квадратурного преобразователя 10 и ЦСКГ 15 в квадратурные сигналы с фазовым сдвигом, определяемым выражением (3), а затем эти сигналы фильтруются первым ЦФНЧ 11 и вторым ЦФНЧ 13 и обрабатываются первым 12 и вторым 14 децимирующими фильтрами соответственно. Выходные квадратурные сигналы С и S, i=1, 2,... цифровых преобразователей 9 каждого из М аналого-цифровых трактов 4...4 объединяются мультиплексорами МРПУ 17 и через линии связи 18...18 поступают на соответствующие
1
М
1
М
i
i
входы-выходы мультиплексора сети ПрмЦ 19. С первых выходов мультиплексора сети ПрмЦ 19 выходные сигналы аналого-цифровых трактов 4...4 каждого из N МРПУ 2...2 поступают на вход БФДН 20, в котором квадратурные сигналы С и S каждого из i-x аналого-цифровых трактов 4 попарно суммируются (i=1, 2...M), запоминаются и, в соответствии с выражением (2) выбираются для формирования m-й диаграммы направленности, причем суммарный сигнал, соответствующий m-й диаграмме направленности (m=1, 2...M) содержит сумму N задержанных по фазе в соответствии с выражениями (2) и (3) сигналов. Полученные таким образом сигналы с М выходов БФДН 20 поступают на М входов устройства демодуляции и декодирования 21, которое, в соответствии с программой радиосвязи, осуществляет демодуляцию и декодирование сигналов от М радиоабонентов. Сигналы телефонных классов излучения с М аналоговых выходов устройства демодуляции и декодирования поступают через входы и выходы коммутатора информационных каналов 24 на входы оконечной аппаратуры 25. Сигналы передачи данных (телеграфные) с выходов устройства демодуляции и декодирования 21 поступают через третий вход-выход БК 22 на третий вход-выход АУК 26, вторые входы-выходы которой являются выходами ПрмЦ. При поступлении от радиоабонентов сигналов, содержащих данные конфиденциального характера, сигналы с выходов устройства демодуляции и декодирования 21 через четвертые входы-выходы БК 22 поступают на входы-выходы аппаратуры передачи данных 27. Блок опорных сигналов 23
обеспечивает синхронизацию процессов обработки сигналов цифровыми преобразователями 9, блоком формирования диаграмм направленности 20, устройством демодуляции и декодирования сигналов 21, поступающих от радиоабонентов.
1
N
1
М
1
С точки зрения практической реализации элементов ПрмЦ в качестве антенных элементов 1...1 могут быть использованы широкополосные антенны как вертикальной поляризации [7], так и горизонтальной поляризации ([5], с.264), а в качестве аналого-цифровых трактов 4...4 - одноплатные цифровые тракты [8] с ППФ на входе, обеспечивающие необходимые характеристики как по полосе пропускания, так и устойчивости по блокированию [9]. Мультиплексирование и коммутация сформированных цифровых потоков, поступающих с выходов аналого-цифровых трактов 4...4 м на входы-выходы мультиплексора МРПУ 17, организуется на стандартных сетевых протоколах с использованием иерархической структуры устройств типа SWICH, что дает возможность наращивать количество МРПУ 2.
Источники информации
1. Челышев В.Д. Приемные радиоцентры. - М.: "Связь". - 1975., 264 с.
2. Патент №47597. Россия. МКИ Н04В 1/06 Автоматизированная многотрактовая приемная KB радиостанция. / Левченко В.И., Шадрин Б.Г., Петухов Е.В. и др. Опубл. 27.08.2005 г. - Бюлл. №24.
3. Заявка №200437384 от 21.12.2004 г. МКИ Н04В 1/06 Приемный радиоцентр. / Банников И.М., Дулькейт И.В., Левченко И.В., Хазан Г.К. Положительное решение ФГУ ФИПС от 01.02.2007 г.
4. Будяк В.С., Кисмерешкин В.П., Карасева О.В. Способ обеспечения электромагнитной совместимости технических средств коротковолновых радиоузлов. // Тезисы докл: 6-й междунар. науч. - технич. конференции "Динамика систем, механизмов и машин". / - Омск: Изд. ОмГТУ. - 2007 г. (В печати).
5. Айзенберг Г.З., Белоусов С.П., Журбенко Э.М. и др. Коротковолновые антенны. - М.: Радио и связь. - 1985. - 536 с.
6. Антенны и устройства СВЧ. / Под ред. Д.И.Воскресенского. - М.: Радио и связь. - 1981. - 432 с.
7. Патент №2226021, Россия, МКИ H01Q 9/34 Антенна штыревая диапазонная мобильная. / Будяк В.С., Шадрин Б.Г., Захцер М.В. и др. Опубл. 20.03.2004 г. - Бюлл. №8.
8. Валеев М.М. Новое поколение коротковолновых    радиоприемных устройств для современных комплексов связи. // "Связь в Вооруженных
Силах РФ". / Под общ. ред. Е.А.Карпова - М.: Изд. ООО "Информационный мост". - 2006. - С.142, 143.
9. Барашев А.С., Кудрявцев Г.С. Преселекторы радиоаппаратуры четвертого поколения. // Техника радиосвязи. - 1998. - Вып.4. - С.20-26.