РАДИОСТАНЦИЯ СВЧ ДИАПАЗОНА

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована для организации высокоскоростных сетей и пакетной дуплексной радиосвязи обмена речевой и цифровой информацией, в качестве одного из источников которой может быть применен персональный компьютер (ПК).
Известно большое количество носимых и возимых радиостанций, например, Р-159М ИП1.100.63, радиостанции по свидетельствам на полезные модели №№27764, 31181, выполняющих аналогичные функции. Недостатками этих радиостанций являются:
- отсутствие маскирования речевой информации;
- низкая скорость передачи данных от оконечной аппаратуры;
- отсутствие возможности передачи информации от ПК и дистанционного управления режимами и видами работ;
- невозможность автоматизированного ввода радиоданных, под которыми понимаются значения рабочих частот и идентификаторы радиостанции;
- отсутствие автоматической настройки станции, адаптивной перестройки на запасную частоту при возникновении помехи в полосе приема, адаптивного изменения скорости передачи в зависимости от помеховой обстановки;
- наличие одного канала приемо-передачи данных, что позволяет осуществлять в один момент времени связь только с одним абонентом.
Известна также радиостанция Р-163-50У ИВ1.106.016 [Комплекс средств радиосвязи "Арбалет". Возимые УКВ радиостанции. Издательство ВАС. 1996 г. УДК. 621.396.7].
Недостатками этой радиостанции являются отсутствие маскирования речевой информации, низкая скорость передачи цифровой информации, которая согласована с пропускной способностью канала и составляет 16 Кбит/сек, отсутствие возможности передачи данных от персонального компьютера, большие затруднения при использовании в составе автоматизированных систем радиосвязи из-за отсутствия дистанционного управления и автоматической настройки станции, отсутствие адаптивной перестройки на запасную частоту при возникновении помехи в полосе приема и адаптивного изменения скорости передачи в зависимости от помеховой обстановки, наличие одного канала приемо-передачи данных, что позволяет обеспечить в один момент времени связь только с одним абонентом.
Известно свидетельство на полезную модель №48133, в которой осуществляется защита от перехвата передаваемой по каналам речевой и цифровой информации путем применения пакетирования и шифрации пакетов по определенному алгоритму, увеличивается пропускная способность каждого канала приемо-передачи данных до 3 Мбит/сек. Это позволяет вести одновременную передачу цифровой и речевой информации, причем речевая информация передается в дуплексном режиме за счет временного уплотнения информационного потока, появляется возможность высокоскоростной передачи данных от персонального компьютера, реализуется автоматизированная загрузка радиоданных, например, по оптическому интерфейсу, и дистанционное управление радиостанцией с персонального компьютера, появляется возможность адаптивной перестройки на запасную частоту при возникновении помехи в полосе приема и адаптивного изменения скорости передачи в канале в зависимости от помеховой обстановки, осуществляется возможность одновременного обмена данными с N абонентами по N каналам приемо-передачи и, например, ретрансляция информации из одной сети радиостанций, работающих в первой области частот, во вторую сеть радиостанций, работающих во второй области частот.
Цифровой канал приема - передачи данных, описанный в свидетельстве на полезную модель №48133 является наиболее близким к предлагаемой радиостанции и принят за прототип.
На фиг.1 приведена структурная схема цифрового канала приема - передачи данных радиостанции - прототипа.
Канал приемо-передачи данных содержит блок управления 1, синтезатор частот 2, передатчик 4, приемник 5, антенный коммутатор 6, антенно-согласующее устройство (АСУ) 8, антенну 7, шифратор пакетов информации 3, кодер 9, декодер 10 и дешифратор пакетов информации 11, причем информационный вход канала приемо-передачи через последовательно соединенные первый коммутатор информации 12, пакетатор цифровой информации 13, шифратор пакетов информации 3 и кодер 9 соединен с первым входом передатчика 4, выход которого соединен с первым входом антенного коммутатора 6, управляющий вход которого соединен со вторым входом блока управления 1, а вход-выход соединен с первым входом-выходом АСУ 8, второй вход-выход которого соединен с антенной 7. Выход антенного коммутатора 6 соединен с первым входом приемника 5, выход которого через последовательно соединенные декодер 10, дешифратор пакетов информации 11, депакетатор цифровой информации и второй коммутатор информации 15 соединен с выходом канала приемо-передачи. Третьи входы передатчика 4 и приемника 5 соединены с выходом синтезатора частот 2, вход которого объединен с их вторыми входами и соединен с первым выходом блока управления 1. Первый выход блока управления 1 управляет настройкой синтезатора частот 2 и работой передатчика 4 и приемника 5, а каждый его второй выход управляет работой антенного коммутатора 6. Третий выход блока управления 1 управляет работой первого коммутатора информации 12, четвертый выход блока управления 1 управляет работой второго коммутатора информации 15.
Устройство- прототип работает следующим образом.
С включением питания радиостанция автоматически переходит в режим приема служебных пакетов синхронизации (СПС) от уже работающих станций на выделенной частоте. В случае отсутствия пакетов радиостанция начинает сама излучать СПС пакеты согласно установленному стандарту, например, согласно стандарту 802.11b. Все радиостанции, принимающие служебные пакеты синхронизации, вырабатывают пакеты подтверждения информации и образуют высокоскоростную сеть пакетной радиосвязи с использованием принципа временного разделения приема и передачи, а также временного уплотнения информации и обеспечения радиодоступа.
Любая радиостанция, находящаяся в сети, переходит в режим передачи по сигналу "Запрос передачи" от источника цифровой информации. По сигналу с третьего выхода блока управления 1 первый коммутатор 12 выбирает источник цифровой информации, которая далее преобразуется в пакетаторе цифровой информации 13 и поступает на вход шифратора пакетов информации 3, с выхода которого шифрованный по определенному алгоритму пакет подается на кодер 9, приводящий пакет к установленному стандарту. Однотипные пакеты информации шифруются, кодируются и через передатчик 4 и антенный коммутатор 6 подключаются к АСУ 8, антенне 7 и излучаются в эфир с канальной скоростью до 10 Мбит/сек. С первого выхода блока управления 1 поступает сигнал, управляющий переключением антенного коммутатора 6 к выходу передатчика 4 или к первому входу приемника 5. Со второго выхода блока управления 1 сигнал управляет настройкой синтезатора частот 2 и работой передатчика 4 и приемника 5. При этом скорость передачи полезной информации может достигать 3 Мбит/сек.
В режиме приема в радиостанции, находящейся в сети, в канале приемо-передачи данных осуществляются процедуры обратного преобразования сигнала, принятого антенной 7. Сигнал через АСУ 8 и антенный коммутатор 6 поступает на вход приемника 5, а затем в декодер 10, который преобразует информацию установленного стандарта в шифрованные по определенному алгоритму пакеты, поступающие на дешифратор 11. Информационные цифровые пакеты с дешифратора 11 поступают на депакетатор цифровой информации 14, откуда непрерывная цифровая информация поступает во второй коммутатор 15. В нем осуществляется выбор приемника цифровой информации под воздействием сигнала с четвертого выхода БУ 1. В режиме загрузки радиоданных сигнал, например, по оптическому интерфейсу, поступает на второй вход первого коммутатора информации 12, с третьего выхода которого подается БУ 1, где обеспечивается размещение радиоданных в памяти. При этом БУ 1, например, через фотопередатчик формирует ответные сигналы для передатчика 4.
Каждая радиостанция, находящаяся в сети, анализирует количество неправильно принятых пакетов и, как следствие, качество обмена информацией на выбранных скорости передачи и рабочей частоте. При превышении порога ошибок радиостанция может адаптивно понижать канальную скорость передачи в эфире или уйти с пораженной частоты, образуя новую сеть на следующей выбранной частоте.
Недостатки устройства-прототипа следующие.
1. Низкая пропускная способности системы связи.
2. Радиостанция не позволяет работать на малых расстояниях между антеннами.
3. Такую радиостанцию нельзя устанавливать в непосредственной близости к антеннам.
4. Радиостанция многоканальная, что порождает конструктивную избыточность.
Задача, которую решает предлагаемая полезная модель, повышение пропускной способности системы связи, работа на близко расположенных антеннах, уменьшение габаритов и массы изделия, возможность установки радиостанции на открытом воздухе, в том числе и на мачтах.
Для решения этой задачи в радиостанцию СВЧ диапазона, содержащюю цифровой канал приемо-передачи данных, антенный коммутатор, соединенный с антенной, согласно полезной модели дополнительно введены усилитель мощности, режекторный фильтр, приемовозбудителя, блок защиты от импульсных перенапряжений и грозовых разрядов, причем первый вход - выход приемовозбудителя является высокочастотным и соединен с первым входом - выходом цифрового канала приемо-передачи данных, второй вход - выход приемовозбудителя является управляющим и соединен со вторым входом - выходом канала приемо-передачи данных, первый выход приемовозбудителя является выходом сигнала управления приемо-передачей и соединен с первым входом антенного коммутатора, второй выход приемовозбудителя является выходом сигнала синхронизации и соединен со входом синхронизации цифрового канала приемо-передачи данных, третий выход приемовозбудителя является выходом управления приемо-передачей и соединен с первым входом усилителя мощности, выход которого является входом диагностики температуры и соединен с первым выходом приемовозбудителя, второй вход приемовозбудителя является входом исправности антенны и соединен с третьим выходом антенного коммутатора, первый вход режекторного фильтра является управляющим входом, выбирающим рабочий диапазон частот, и соединен с четвертым выходом приемовозбудителя, второй вход режекторного фильтра является входом приемного сигнала высокой частоты и соединен с первым выходом антенного коммутатора, первый выход режекторного фильтра является выходом высокой частоты и соединен со вторым входом усилителя мощности, второй выход режекторного фильтра является выходом высокой частоты и соединен со вторым входом приемовозбудителя, выход усилителя мощности является выходом мощного высокочастотного сигнала и соединен со вторым входом антенного коммутатора, второй выход антенного коммутатора является высокочастотным выходом и соединен с антенной, третьи входы - выходы цифрового канала приемо-передачи данных соединены с первыми входами - выходами блока защиты от импульсных перенапряжений и грозовых разрядов и являются источниками принятой и переданной высокоскоростной цифровой информации, вторые входы - выходы блока защиты от импульсных перенапряжений и грозовых разрядов являются входами - выходами входной и выходной информации, дополнительный вход блока защиты от импульсных перенапряжений и грозовых разрядов соединен с источником напряжения питания.
Сопоставительный анализ заявляемого устройства с прототипом показывает, что предлагаемое решение существенно отличается от прототипа, так как позволяет повысить пропускную способность системы связи, уменьшить габариты и массу изделия, позволянет работать на близко расположенных антеннах.
Сопоставительный анализ заявляемого устройства с другими техническими решениями в данной области техники не позволил выявить признаки, заявленные в отличительной части формулы полезной модели.
Графические материалы представленные в описании:
Фиг.1 - представлена структурная схема радиостанции- прототип (фрагмент).
Фиг.2 - представлена структурная схема предлагаемой радиостанции.
Фиг.3 - представлен вариант выполнения приемовозбудителя.
Фиг.4 - пример АЧХ режекторных фильтров.
Фиг.5 - представлен вариант выполнения антенного коммутатора.
Структурная схема предлагаемая радиостанция СВЧ диапазона представлена на фиг.2.
Предлагаемая радиостанция содержит антенный коммутатор 6, соединенный с антенной 7, усилитель мощности 16, режекторный фильтр 17, приемовозбудитель 18, цифровой канал приемо-передачи данных 19, блок защиты от импульсных перенапряжений и грозовых разрядов 20.
Цифровой канал приемо-передачи данных 19 выполнен так, как показано на фиг.1 (т.е. по св-ву на ПМ №48133).
Первый вход - выход приемовозбудителя 18 является высокочастотным и соединен с первым входом - выходом канала приемо-передачи данных 19, второй вход - выход приемовозбудителя 18 является управляющим и соединен со вторым входом - выходом канала приемо-передачи данных 19. Первый выход приемовозбудителя 18 является выходом сигнала управления приемо-передачей и соединен с первым входом антенного коммутатора 6. Второй выход приемовозбудителя 18 является выходом сигнала синхронизации и соединен со входом синхронизации канала приемо-передачи данных 19. Третий выход приемовозбудителя 18 является выходом управления приемо-передачей и соединен с первым входом усилителя мощности 16, выход которого является входом диагностики температуры и соединен с первым выходом приемовозбудителя 18. Второй вход приемовозбудителя 18 является входом исправности антенны и соединен с третьим выходом антенного коммутатора 6. Первый вход режекторного фильтра 17 является управляющим входом, выбирающим рабочий диапазон частот, и соединен с четвертым выходом приемовозбудителя 18. Второй вход режекторного фильтра 17 является входом приемного сигнала высокой частоты и соединен с первым выходом антенного коммутатора 6. Первый выход режекторного фильтра 17 является выходом высокой частоты и соединен со вторым входом усилителя мощности 16. Второй выход режекторного фильтра 17 является выходом высокой частоты и соединен со вторым входом приемовозбудителя 18. Выход усилителя мощности 16 является выходом мощного высокочастотного сигнала и соединен со вторым входом антенного коммутатора 6. Второй выход антенного коммутатора 6 является высокочастотным выходом и соединен с антенной 7.
Третьи входы - выходы канала приемо-передачи данных 19 соединены с первыми входами - выходами блока защиты от импульсных перенапряжений и грозовых разрядов 20 и являются источниками приемной и переданной высокоскоростной цифровой информации. Вторые входы - выходы блока защиты от импульсных перенапряжений и грозовых разрядов 14 являются входами - выходами входной и выходной информации, на дополнительный вход блока защиты от импульсных перенапряжений и грозовых разрядов 14 поступает напряжение питания. Источник питания на структурной схеме не показан.
Работает система следующим образом.
Система радиосвязи СВЧ диапазона (рабочее название Р-168-МРА варианты 01 и 02) предназначена для организации сетей передачи информации, например, в соответствии со стандартом IEEE 802.11b (вариант 01) или IEEE 802.11g (вариант 02) с канальными скоростями передачи информации до 11 Мбит/с и 54 Мбит/с соответственно.
Антенный коммутатор 6 предназначен для высокоскоростной коммутации антенны с приема на передачу и наоборот и предварительного усиления сигнала приемника. Антенный коммутатор 6 также выполняет функции диагностики усилителя мощности 16 и антенны 7.
Усилитель мощности 16 усиливает сигнал передатчика 4, входящего в состав канала приема-передачи данных 19, приходящий от приемовозбудителя 19 до требуемого уровня (20 Вт PEP). Усилитель мощности 16 оснащен функцией контроля температуры поверхности радиатора системы связи.
Канал приема-передачи данных 19 работает также как в прототипе. Канал приема-передачи 19 осуществляет преобразование информационных сигналов, поступающих по внешнему каналу в высокочастотный модулированный сигнал с адаптивной многопозиционной модуляцией. Канал приема-передачи 19 осуществляет также функции коммутатора информационных сигналов и маршрутизатора.
Блок фильтрации высокой частоты представляет собой режекторный фильтр 17 и предназначен для дополнительной фильтрации шумовых составляющий сигнала передатчика 4 и предотвращения перегрузки приемного тракта 5 сигналами близко расположенных радиосредств.
При близком расположении приемопередающих антенн идентичных радиостанций шумовые составляющие сигнала передатчика оказывают существенное взаимное влияние на приемные устройства, выражающееся в значительном снижении чувствительности последних.
Обычно для фильтрации шумовых составляющих используются дуплексные фильтры, выполненные по полосовой или полосно-режекторной схеме и включенные непосредственно перед антенной. Такие структуру, рассчитанные на относительно большие мощности (более 1 Вт), имеют значительные габариты и вес, часто сравнимые с размером самой радиостанции и, в связи с этим, применяются для стационарных радиостанций, установленных на земле.
В нашем случае, для снижения потерь в фидерном тракте, радиостанция расположена на антенно-мачтовом устройстве в непосредственной близости от антенны, что делает невозможным применение классических решений для обеспечения выполнения требований электромагнитной совместимости (ЭМС).
На основании выше изложенного было принято решение осуществлять фильтрацию нежелательных составляющих сигнала передатчика 4 на малых уровнях мощности до основного тракта усиления мощности. Проведенное компьютерное моделирование показало, что полосовые фильтры с требуемой добротностью имеют неприемлемо большие габариты, в связи с чем было принято решение осуществлять фильтрацию шумовых составляющих сигнала передатчика с помощью режекторных фильтров на L-образных резонаторах.
Для обеспечения работы радиостанций с близко расположенными антеннами (в нашем случае 5 м.) потребовалось принятие определенных организационных и технических решений.
В части организации системы связи было принято решения о разделении всего выделенного диапазона рабочих частот на поддиапазоны (см. фиг.4).
1
4
Весь рабочий диапазон частот радиостанций (f-f) разбивается на три поддиапазона:
1
2
f-f - 1-ый рабочий диапазон частот
3
4
f-f - 2-ой рабочий диапазон частот
2
3
f-f - защитный интервал
Рабочий диапазоны определяются АЧХ соответствующих режекторных фильтров.
В предлагаемом решении режекторный фильтр 12 состоит из двух режекторных фильтров и электронного коммутатора, обеспечивающего следующие режимы работы:
1 режим - работа в первом рабочем диапазоне частот
2 режим - работа во втором рабочем диапазоне частот
3 режим - работа в полном диапазоне рабочих частот.
При работе в 1-ом режиме 1-ый режекторный фильтр подключается ко входу усилителя мощности, а второй - ко входу УВЧ приемника.
При работе во 2-ом режиме 2-ой режекторный фильтр подключается ко входу усилителя мощности, а первый - ко входу УВЧ приемника.
При работе в 3-ем режиме режекторные фильтры исключаются из работы, обеспечивая работу радиостанции в полном диапазоне рабочих частот.
Подключение режекторного фильтра ко входу УВЧ приемника необходимо для предотвращения блокирования приемника основным сигналом передатчика близко расположенной радиостанции, работающей в другом режиме.
Приемовозбудитель 18 осуществляет частотное преобразование, усиление и фильтрацию ВЧ сигнала, поступающего от устройства канала приема-передачи 19. Приемовозбудитель 18 взаимодействует с каналом приема-передачи 19 по интерфейсу RS-232.
Стабилизированное напряжение питания обеспечивает составные части радиостанции и служит для обеспечения требования ЭМС.
Блок 20 служит для защиты системы радиосвязи при возможном грозовом разряде, а также от импульсных помех, возникающих в бортовой сети подвижного объекта.
На фиг.3 представлен вариант выполнения приемовозбудителя 18.
Приемовозбудитель 18 содержит последовательно соединенные первый полосовой фильтр 21, на вход которого подается высокочастотный сигнал с режекторного фильтра 17, усилитель высокой частоты 22, смеситель приемника 23, коммутатор 24, направленный ответвитель 27, смеситель передатчика 29, второй полосовой фильтр 30, усилитель 31, выход которого является управляющим и соединен со входом режекторного фильтра 17. Вторые входы смесителей 23 и 29 соединены с соответствующими входами синтезатора частоты 25, вход которого соединен с выходом опорного генератора 26, третий выход синтезатора частоты 25 является выходом синхронизации и соединен с первым входом контроллера 32. Выход направленного ответвителя 27 соединен со входом детектора 28, выход которого соединен управляет приемо-передачей антенного коммутатора 6 и усилителя мощности 16.
Второй вход контроллера является входом диагностики (контроля температуры) и соединен с выходом усилителя мощности 16. Третий вход контроллера 32 является выходом контроля исправности антенны и соединен с третьим выходом антенного коммутатора 6. Вход-выход коммутатора 24 является входом- выходом управления и диагностики и соединен с входом - выходом канала приема - передачи 19. Вход-выход контроллера 32 является входом- выходом управления и диагностики и соединен с входом - выходом канала приема - передачи 19.
Вариант выполнения антенного коммутатора 6 представлен на фиг.5.
Антенный коммутатор представляет собой последовательно соединенные фильтр низкой частоты 39, ферритовый циркулятор 34, полосовой фильтр 35, усилитель высокой частоты 37, на второй вход которого подается сигнал управления с выхода приемовозбудителя 18. Выход усилителя высокой частоты 37 является выходом высокой частоты и соединен со входом режекторного фильтра17. Второй выход ферритового циркулятора 34 соединен с антенной 7, а третий выход соединен со входом детектора 36, выход которого является выходом исправности антенны и соединен с соответствующим входом приемовозбудитель 18.
Предлагаемые блоки радиостанции могут быть реализованы на отдельных элементах или, например, на микропроцессоре AT91RM9200-QI-002 производства фирмы Atmel.
Моделирование показало, что:
1. Канальная скорость передачи информации выросла до 54 бит/с.
2. Габаритные размеры 300×150×120 мм.
3. Масса не более 6,5 кг.
4. Адаптивная модуляция в зависимости от помеховой обстановки.
5. Унификация с существующей аппаратурой по типу информационных стоков (маскирование),
6. Возможность построения самоорганизующихся сетей связи.
7. Получены улучшенные характеристики ЭМС.