Устройство передачи данных гектометрового радиочастотного диапазона с гибридным комбайнером
HECTOMETER RF DATA TRANSMISSION DEVICE WITH HYBRID COMBINER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к средствам радиосвязи и может быть использовано для организации каналов передачи данных, функционирующих совместно с каналами железнодорожной радиотелефонной связи гектометрового радиочастотного (ГМВ) диапазона на стационарных и подвижных объектах железнодорожного транспорта.
Уровень техники
Целями настоящего изобретения являются:
1. Обеспечение одновременной и независимой работы радиомодема передачи данных с приемопередатчиком радиостанции ГМВ диапазона (локомотивной и стационарной радиостанции) на общий антенно-фидерный тракт (АФТ) на стационарных и подвижных объектах железнодорожного транспорта.
2. Беспроводная передача данных с возможностью использования существующей инфраструктуры железнодорожной радиосвязи ГМВ диапазона без нарушения ее работоспособности. Например, применение устройства позволяет создать сеть передачи данных на основе существующей инфраструктуры поездной радиосвязи ГМВ диапазона без необходимости ее глубокой модернизации.
Решение данной задачи при частотном разносе между каналом передачи данных и каналом железнодорожной радиосвязи 10-20 кГц (0,5-1,0% от частоты несущей полезного сигнала) требует, как повышения линейности передающего тракта радиомодема для устранения мешающего влияния передатчика радиомодема на приемный тракт радиостанции, так и построения системы фильтрации в приемном тракте радиомодема, обеспечивающей устранение мешающего влияния на него передатчика радиостанции.
Обеспечение совместной работы на одну антенну двух приемопередатчиков при близких по значению частотного разноса между каналами передатчиков и ширины полосы рабочих частот передатчиков может приводить к ряду проблем:
1) при работе одного из устройств на передачу, а второго на прием на общей антенне будет создаваться напряжение амплитудой на много порядков большей амплитуды полезного сигнала от удаленного источника. При недостаточном динамическом диапазоне приемника возникает перегрузка его входных трактов, в результате чего прием сигналов из эфира не обеспечивается;
2) при одновременной работе на передачу обоих приемопередатчиков часть мощности одного из передатчиков попадает на вход второго, что может привести к возникновению нелинейных искажений передаваемого сигнала или повреждению передатчика;
3) для обеспечения работы устройств в режиме «бегущей волны» необходимо выполнить согласование выходных сопротивлений приемопередатчиков с входным сопротивлением антенны;
4) внеполосные излучения приемопередатчиков попадают в полосу приема друг друга, создавая помеху принимаемому сигналу.
Известно, что в метровом и более высокочастотных диапазонах независимая работа двух приемопередатчиков на общий антенно-фидерный тракт достигается путем использования дуплексных фильтров, циркуляторов и других устройств. В ГМВ диапазоне при частотных разносах менее 50 кГц разработка таких устройств либо невозможна, либо нецелесообразна ввиду больших массогабаритных размеров конечных устройств.
Известна радиотелефонная приемопередающая система (см. RU 2168860 С2, опубл., 10.06.2001) содержащая антенну, систему сопряжения антенны, которая включает в себя малошумящий усилитель, усилитель мощности, коаксиальный кабель, регулируемый аттенюатор, схему определения выходной мощности, две схемы генерирования колебаний, систему сопряжения модема. Недостатком известного решения является отсутствие одновременной и независимой работы радиомодема передачи данных с приемопередатчиком радиостанции ГМВ диапазона.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является «Радиопередающая система КВ диапазона» RU 140340 U1, опубл. 10.05.2014, в котором применено повышение линейности передающего тракта системы путем внесения в усиливаемый сигнал компенсирующих предыскажений. Использование метода компенсирующих предыскажений позволило снизить уровень интермодуляционных искажений третьего порядка (IMD3) с минус 22-26 дБ до минус 32-35 дБ. Уровень выходной мощности передатчика при этом не указан. Для совместной и независимой работы радиомодема и радиостанции ГМВ диапазона в предлагаемом решении полученных значений IMD3 недостаточно. Необходимы значения не более минус 55 дБ при выходной мощности передатчика 10 Вт.
Сущность изобретения
В устройстве применяются как методы по повышению линейности передающего тракта радиомодема для устранения мешающего влияния передатчика радиомодема на приемный тракт радиостанции, так и построение системы фильтрации в приемном тракте радиомодема, обеспечивающей устранение мешающего влияния передатчика радиостанции на него.
Предлагаемое устройство решает техническую проблему, заключающуюся в отсутствии возможности одновременной работы двух приемопередатчиков на одну антенну в ГМВ диапазоне с частотным разносом не менее ширины канала, а именно, 10 - 20 кГц (0,5-1,0% от частоты несущей полезного сигнала).
Предлагаемое устройство передачи данных гектометрового радиочастотного диапазона содержит встроенный контроллер приема-передачи данных, содержащий интерфейс для подключения внешних устройств и подключенный к устройству цифровой обработки данных, включающему интерфейс для подключения внешнего источника данных, интерфейс для подключения внешнего контроллера приема и передачи данных, тракт передачи данных, состоящий из цифро-аналогового преобразователя, фильтра низких частот, управляемого аттенюатора и усилителя, тракт приема данных, состоящий из управляемого аттенюатора приемника, смесителя приемника, гетеродина приемника, полосового кварцевого фильтра приемника, малошумящего усилителя приемника, аналого-цифрового преобразователя, высокоскоростной ключ для коммутации каналов приема и передачи данных, тракт передачи голосовых данных, тракт приема голосовых данных, состоящий из управляемого аттенюатора, первого смесителя, гетеродина, полосового кварцевого фильтра, второго смесителя, малошумящего усилителя, первый и второй ключи для коммутации трактов приема и передачи голосовых данных, сумматор, подключенный к антенно-согласующему устройству, высокоскоростному ключу для коммутации каналов приема и передачи данных и ко второму ключу для коммутации трактов приема и передачи голосовых данных, встроенный приемник сигналов навигационных спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС, подключенный ко встроенному контроллеру приема-передачи данных.
Технический результат заключается в обеспечении одновременной и независимой работы радиомодема передачи данных и приемопередатчика радиостанции ГМВ диапазона на стационарных и подвижных объектах.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена структурная схема радиомодема.
На фиг.2 представлена блочная схема радиомодема.
Раскрытие изобретения
Комбайнеры
Для работы на одну антенну нескольких передатчиков могут применяться комбайнеры. Существует большое количество коммерческих решений. Так, для ГМВ диапазона используют устройство на основе поперечно соединенного трансформатора (см. AN749 MOTOROLA. SEMICONDUCTOR. APPLICATION NOTES, MotorolaInc., 1993).
Как правило, комбайнеры, позволяющие работать в ГМВ диапазоне, конструктивно выполнены на сердечниках из ферромагнитного материала, что приводит к нелинейным искажениям.
Существуют решения, не использующие в своей структуре ферромагнитные материалы. К таким решениям относится делитель Вилкинсона (см. E.J. Wilkinson, "An N-way Power Divider", IRE Trans. on Microwave Theory and Techniques, vol. 8, p.116-118, Jan. 1960). Данное решение предполагает применение отрезков кабеля длиной в четверть волны. Для ГМВ диапазона необходимая длина кабеля составляет несколько десятков метров. Недостатком данного решения является относительно большая масса и габариты изделия.
Также существуют решения на основе дискретных элементов (см. Designing LC Wilkinson power splitters // Fernando Noriega, Pedro J. González, p.18-24, Aug. 2002). Данная схема обеспечивает работу в более узкой полосе. Узкая рабочая полоса требует стабильности параметров применяемых компонентов при изменении внешних условий, а также настройки каждого экземпляра.
В предлагаемом изобретении применено решение на основе дискретных элементов.
Снижение внеполосного излучения
Для обеспечения приема сигнала из эфира при работе модема последний должен иметь узкий спектр и низкие уровни внеполосных излучений.
Для обеспечения узкого спектра могут быть применены цифровые модуляции с формирующим фильтром большой прямоугольности.
Для сужения спектра передаваемого сигнала используют формирующий фильтр с характеристикой типа “корень из приподнятого косинуса” с коэффициентом сглаживания равным 0,25. На стороне приемника располагают соответствующий ему фильтр с идентичной характеристикой для уменьшения влияния межсимвольной интерференции, возникающей при ограничении спектра сигнала. Применение согласованного фильтра также позволяет уменьшить негативное влияние белого шума (см., например, Гоноровский И.С.Радиотехнические цепи и сигналы Москва, Советское радио, 1977, 608 c.; Баскаков, С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. Москва, ЛЕНАНД, 2016, 528 c. ISBN 978-5-9710-2464-4.; Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов СПб, Питер, 2002).
Устройство реализует возможность использования модуляций QPSK и 8PSK. Известно, что огибающая сигналов с такой модуляцией проходит через нуль, то есть для них коэффициент амплитудной модуляции равен 1, что обычно приводит к повышенным требованиям к линейности выходных цепей или увеличению внеполосных излучений.
В устройстве предусмотрено использование модуляций с меньшим значением коэффициента амплитудной модуляции (OQPSK, π/4-QPSK) для уменьшения при необходимости уровня внеполосных излучений или для работы с нелинейным трактом.
Линеаризация выходного аналогового тракта
Минимальное значение внеполосных излучений обеспечивается уровнем линейности аналоговой выходной цепи и аналогового цифрового преобразователя. Для формирования аналогового сигнала применяют 14-битный цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). Высокая разрядность ЦАП продиктована необходимостью минимизации внеполосного излучения.
Линеаризация передающего тракта
Высокой линейности передающего тракта удается достичь за счет использования двухкаскадного усилителя класса А, второй каскад которого построен на базе LDMOS транзистора, рассчитанного на мощность до 100 Вт.Отличительной особенностью транзистора, используемого в предлагаемом решении, является практически линейная зависимость мощности на нагрузке от входной мощности в области выходных мощностей до 30 Вт.
Устройство передачи данных гектометрового радиочастотного диапазона (радиомодем) реализовано на базе программируемой логической интегральной схемы 1 (ПЛИС), представляющей собой устройство цифровой обработки данных. Радиомодем имеет встроенный контроллер приема-передачи данных 2. ПЛИС подключен к опорному кварцевому генератору 3.
Для подключения внешнего источника данных или контроллера приема и передачи данных используются интерфейсы CAN, RS-232 и Ethernet 4, 5 и 6 соответственно.
Процесс передачи данных происходит следующим образом. Поступившие посредством интерфейсов 4-6 данные подвергаются цифровой обработке в ПЛИС 1. Сформированный модулированный сигнал поступает на цифро-аналоговый преобразователь 7 (ЦАП). Фильтр низких частот 8 (ФНЧ) исключает из спектра высшие гармоники сигнала и возможные ошибки дискретизации. Далее сигнал поступает на усилитель 10 через управляемый аттенюатор 9. Управляемый аттенюатор позволяет регулировать мощность усилителя. Далее сигнал, сформированный радиомодемом, поступает на сумматор 16. Далее сигнал поступает к антенно-согласующему устройству (АСУ) через разъем «АНТ» 18.
Прием сигнала радиомодема осуществляется через разъем «АНТ» 18 и сумматор 16. Для коммутации каналов приема и передачи радиомодема используется высокоскоростной ключ 11. Далее сигнал поступает на управляемый аттенюатор 19, задача которого ограничить уровень входного сигнала во избежание перегрузки смесителя 20. Посредством гетеродина 21 и смесителя 20 осуществляется перенос сигнала на промежуточную частоту с последующей фильтрацией полосовым кварцевым фильтром 22. Далее сигнал поступает на малошумящий усилитель 23 (МШУ) для компенсации потерь в приемном тракте и сглаживающий ФНЧ 24, после чего оцифровывается посредством аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 25. В ПЛИС 1 сигнал демодулируется. Восстановленные данные поступают на контроллер передачи данных 2.
На базе ПЛИС 1 в цифровом приемном тракте изобретения реализовано декодирование сигнала с мягким решением, что позволяет работать при меньших соотношениях сигнал/шум и, как следствие, повысить чувствительность приемного тракта радиомодема.
Одновременно с приемом и передачей данных через сумматор 16 может производиться прием и передача голосовых сигналов радиостанцией ГМВ диапазона. Передача голосовых сигналов осуществляется от разъема «РСТ» 12 через тракт передачи 14 и сумматор 16 к разъему «АНТ» 18. Прием идет в обратном направлении. Аналогично с приемным трактом радиомодема голосовой сигнал проходит через управляемый аттенюатор 26, далее фильтруется на промежуточной частоте при помощи первого смесителя 27, гетеродина 31 и полосового кварцевого фильтра 28, после чего вновь переносится на основную частоту радиостанции посредством второго смесителя 29, усиливается МШУ 30 и поступает на радиостанцию. Коммутация приемного и передающего тракта радиостанции осуществляется первым 13 и вторым 15 ключами.
В радиомодеме предусмотрен модуль обхода схемы радиомодема 32 в случае нарушения работы радиомодема. При этом производится переключение на модуль обхода посредством ключей 13 и 17.
Радиомодем имеет встроенный приемник (НП) 33 сигналов навигационных спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС, подключаемый к контроллеру 2. Приемный сигнал поступает на разъем «АНТ» 34. От встроенного приемника (НП) 33 в радиомодем поступает сигнал точного времени и данные о координатах радиомодема. Сигнал точного времени используется для синхронизации радиомодемов в случае использования радиомодемов в системах передачи данных с временным разделением доступа. Данные о координатах радиомодема используются для привязки к конкретному радиомодему при установлении соединения между несколькими радиомодемами.
Конструктивно устройство состоит из четырех блоков: питания (БП), модулятора (БМ), комбайнера (БК), усилителя (БУ). Блоки БМ, БУ и БК запитываются от блока БП. Для совместной работы блоки модема устанавливаются в металлический держатель, обеспечивающий механическую прочность изделия. В держатель встроена кросс-плата, обеспечивающая коммутацию блоков.
К радиомодему подключаются через БМ источник передачи данных (ИД), через БК радиостанция ГМВ диапазона (РСТ) и антенна ГМВ диапазона (АНТ), согласно схеме подключения на Фиг.2.
БП имеет два канала. При отказе одного из каналов другой канал обеспечивает работу устройства без сбоев и нарушений в функционировании.
БК содержит измерители мощности, коэффициента стоячей волны (КСВ), детектор сигналов приемопередатчика радиостанции ГМВ диапазона. Посредством измерителей производится автоподстройка КСВ АФТ. Посредством детектора фиксируется изменение рабочей частоты радиостанции ГМВ диапазона. При необходимости рабочая частота модема изменяется (при совпадении/пересечении рабочих частотных каналов радиостанции ГМВ диапазона и радиомодема).
При работе радиомодема на собственную антенну блок БК из схемы исключается.