Стенд микроконтроллерный для изучения и исследования алгоритмов цифровой модуляции, используемой в цифровом телерадиовещании и в системах мобильной связи
MICROCONTROLLER STAND FOR STUDY AND RESEARCH OF DIGITAL MODULATION ALGORITHMS USED IN DIGITAL BROADCASTING AND MOBILE COMMUNICATION SYSTEMS

Изобретение относится к области электроники, радиотехники и к системам мобильной связи и может быть использовано для проведения учебных лабораторных работ и научных исследований в указанной области.
Известен учебный стенд для изучения основ цифровой электроники, который позволяет проводить сборку и изучение электронных схем, совершенствовать навыки поиска неисправностей в электротехнических и электронных устройствах. Стенд для изучения основ цифровой электроники содержит блок управления, подключенный к наборному полю, к гнездам которого подключены блок триггеров и блок логических элементов, узел индикации, в состав стенда введены блок диодных разветвителей, подключенный к гнездам наборного поля, дешифратор, преобразующий двоичный код в позиционный, вход которого присоединен к выходу блока триггеров, первый управляемый коммутатор, первый вход которого подключен к выходу дешифратора, а выход - к входу узла индикации, шифратор управления знакосинтезирующим индикатором, вход которого подключен к первому входу первого управляемого коммутатора, второй управляемый коммутатор, первый вход которого подключен к выходу шифратора, а выход - к знакосинтезирующему индикатору, задатчик кодов вариантов заданий, выход которого подключен к одному из входов блока управления коммутаторами, к другому входу которого подключен блок триггеров, выходы блока управления коммутаторами присоединены к управляющим входам обоих коммутаторов, а выходы наборного поля напрямую соединены с узлом индикации и знакосинтезирующим индикатором. [Патент RU № 2214628 (С2), G09B 23/18, опубл. 20.10.2003].
Возможности этого стенда ограничены изучением электрических схем, не имеющих в своем составе цифровых программируемых систем — микроконтроллеров.
Известен стенд для изучения микроконтроллерных систем управления, содержащий плату контроллера, на которой установлен микроконтроллер, постоянное и оперативное запоминающие устройства, преобразователь интерфейса передачи данных, а также группу интерфейсных устройств, состоящую из блока клавиатуры и блока индикации, связанных с определенными выводами микроконтроллера. По сети внешнего информационного обмена осуществляется связь микроконтроллера с компьютером, на котором подготавливается и с которого загружается отлаживаемая программа для микроконтроллера [Лукичев А.Н. Расширение возможностей лабораторного комплекса SDK-1.1 // Научно-технический вестник СПбГИТМО (ТУ). Выпуск 10. Информация и управление в технических системах. - СПб.: СПбГИТМО(ТУ), 2003. С. 86-90.].
Недостатки известного решения — ограничены функциональные возможности, стенд не позволяет изучать принципы передачи информации по радиоканалу, а поэтому не позволяет изучать и алгоритмы цифровой модуляции, используемой в цифровом телерадиовещании и системах мобильной связи.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятый  за прототип является стенд для изучения микроконтроллерных систем управления, содержащий плату контроллера, на которой установлен микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство и преобразователь интерфейса передачи данных, служащий для связи с внешними устройствами, а также группу пользовательских интерфейсных устройств, состоящую из блока клавиатуры и блока индикации, группу периферийных тестовых и имитирующих устройств, состоящую из источника гармонических сигналов с регулируемой амплитудой и частотой, источника импульсных сигналов с регулируемой частотой и скважностью, потенциометра и интегрирующего RC-звена первого порядка с изменяемыми параметрами, а также коммутационное поле, первая группа выводов которого связана с выводами микроконтроллера, вторая группа выводов связана с выводами указанных пользовательских интерфейсных устройств, а третья группа выводов связана с выводами указанных тестовых и имитирующих устройств. [Патент  РФ № 2402882, опубл. 27.10.2010 Бюл. № 30, МПК G09B 23/18].
Недостатки известного  решения — ограничены функциональные возможности, стенд не позволяет изучать принципы передачи информации по радиоканалу, а поэтому не позволяет изучать и алгоритмы цифровой модуляции, используемой в цифровом телерадиовещании и в системах мобильной связи. Известно, что современные системы связи построены на базе программируемых систем, в т.ч. и на микроконтроллерах.
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к расширению функциональных возможностей, а именно введению возможности изучения и исследования передачи информации по цифровому радиоканалу с использованием программно реализованных алгоритмов цифровой модуляции, используемых в современных цифровых системах радиосвязи.
Технический результат достигается тем, что стенд микроконтроллерный для изучения и исследования алгоритмов цифровой модуляции, используемой в цифровом телерадиовещании и в системах мобильной связи, содержащий компьютер, первое микроконтроллерное устройство (МКУ), блок индикации, блок имитирующих устройств, при этом компьютер подключен через последовательный цифровой интерфейс к первому микроконтроллерному устройству, к цифровым и аналоговым входам которого подключен блок имитирующих устройств, причем стенд дополнительно содержит второе и третье микроконтроллерные устройства, первый и второй цифроаналоговые преобразователи, первый, второй и третий усилители, первую, вторую и третью антенны, программатор, при этом компьютер подключен через последовательные цифровые интерфейсы к второму и третьему микроконтроллерным устройствам, к цифровым выходам первого и второго микроконтроллерных устройств подключены соответственно входы первого и второго цифро-аналоговых преобразователей, выходы которых подключены к входам соответственно первого и второго усилителей, выходы которых подключены соответственно к первой и второй антеннам, третья антенна подключена к входу третьего усилителя, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, встроенного в микроконтроллер третьего микроконтроллерного устройства, цифровые выходы которого подключены к блоку индикации, вход программатора подключен к USB порту компьютера, а выход программатора выполнен с обеспечением возможности выбора подключения к любому из трех МКУ. Первый, второй и третий усилители выполнены на базе операционных усилителей.
На чертеже представлена структурная схема стенда микроконтроллерного для изучения и исследования алгоритмов цифровой модуляции, используемой в цифровом телерадиовещании и в системах мобильной связи.
Стенд микроконтроллерный для изучения и исследования алгоритмов цифровой модуляции, используемой в цифровом телерадиовещании и в системах мобильной связи, содержит : компьютер 1, первое микроконтроллерное устройство (МКУ) 2, второе МКУ 3, третье МКУ 4, первый цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 5, второй ЦАП 6, первый усилитель 7, второй усилитель 8, третий усилитель 9, первую антенну 10, вторую антенну 11, третью антенну 12, программатор 13, блок индикации 14, блок имитирующих устройств (ИУ) 15, состоящий из источника гармонических сигналов с регулируемой амплитудой и частотой, потенциометра, RC-звена с изменяемыми параметрами и клавиатуры. Первое МКУ 2, второе МКУ 3 и третье МКУ 4  выполнены на базе микроконтроллерной платформы Arduino. Первый усилитель 7, второй усилитель 8 и третий усилитель 9 выполнены на базе операционных усилителей.
Компьютер 1 подключен через цифровые последовательные интерфейсы к первому МКУ 2, второму МКУ 3 и третьему МКУ 4. К цифровым и аналоговым входам первого МКУ 2 подключен блок ИУ 15, к цифровым выходам первого МКУ 2 и второго МКУ 3 подключены соответственно входы первого ЦАП 5 и второго ЦАП 6, выходы которых подключены к входам соответственно первого усилителя 7 и второго усилителя 8, выходы которых подключены соответственно к первой антенне 10 и второй антенне 11, третья антенна 12 подключена к входу третьего усилителя 9, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, встроенного в микроконтроллер третьего МКУ 4, цифровые выходы которого подключены к блоку индикации 14, вход программатора 13 подключен к USB порту компьютера 1, а выход программатора 1 выполнен с обеспечением возможности выбора подключения к любому из трех МКУ.
Стенд микроконтроллерный для изучения и исследования алгоритмов цифровой модуляции, используемой в цифровом телерадиовещании и в системах мобильной связи, работает следующим образом.
Пользователь разрабатывает программу с использованием компьютера 1 на модифицированном языке Cи среде, например, IDE ARDUINO и загружает ее в программную память микроконтроллера первого МКУ 2. Программа реализует, например, алгоритм двухуровневой амплитудной модуляции (манипуляции) цифровым сигналом, получаемым от встроенного в микроконтроллер АЦП, на вход которого поступает аналоговый сигнал от блока ИУ 15. Микроконтроллер МКУ 2 формирует в соответствии с алгоритмом несущий сигнал, который модулируется входным цифровым сигналом, поступающим от АЦП МКУ 2. Этот модулированный цифровой сигнал подается на вход первого ЦАП 5, с выхода которого аналоговый сигнал подается на вход первого усилителя 7, с выхода которого сигнал поступает на вход первой антенны 10, преобразуется в электромагнитное колебание, которое принимается третьей антенной 12 и преобразуется в аналоговый сигнал, который подается на вход третьего усилителя 9, с выхода которого сигнал поступает на вход АЦП, встроенного в микроконтроллер третьего МКУ 4. Микроконтроллер третьего МКУ 4 обрабатывает принятый цифровой сигнал от АЦП в соответствии с алгоритмом двухуровневой демодуляции, выделяет полезную информацию и выводит ее на цифровой индикатор 14, эта информация может быть выведена и через цифровой последовательный интерфейс на монитор компьютера 1.
Второе МКУ 3 формирует цифровой шум, который подается на вход второго ЦАП 6, с выхода которого аналоговый сигнал подается на вход второго усилителя 8, с выхода которого поступает на вход второй антенны 11. Электромагнитное колебание, формируемое второй антенной 11, накладывается в форме помехи на электромагнитное колебание, формируемое первой антенной 10, и принимается третьей антенной 12.  Таким образом, второе МКУ 3 позволяет исследовать влияние помех с заданными параметрами на радиоканал передачи информации.
На монитор компьютера 1 может быть выведена информация от любого из трех МКУ. Эта информация может быть представлена десятичными цифрами, эквивалентными двоичным кодам, отражающим значения передаваемых по радиоканалу первым МКУ 2 и принимаемых третьим МКУ 4 двоичных кодов, а также двоичных кодов, характеризующих уровень цифрового шума, формируемого вторым МКУ 3.
Функциональные возможности стенда расширены благодаря также введению программатора 13, который позволяет записывать в программную память микроконтроллеров программы, разработанные с использованием профессиональной среды IDE AVR Studio, которая позволяет разрабатывать программное обеспечение на классических языках Ассемблера или Си. В качестве программатора 13 может быть использован программатор фирмы Atmel, например AVRISPmkII. В аппаратной платформе Arduino предусмотрена возможность программирования встроенного микроконтроллера семейства AVR с использованием программатора AVRISPmkII.
Предлагаемое техническое решение способно передавать информацию по радиоканалу с использованием алгоритмов цифровой модуляции, применяемой в телерадиовещании и в системах мобильной связи, что расширяет его функциональные возможности, а следовательно, и область его использования, в т.ч. и для изучения беспроводных микроконтроллерных систем управления.