RU221623U1 - Приемопередающий радиочастотный блок - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области радиотехники и предназначена для организации высокоскоростного обмена информацией по радиоканалу. Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является осуществление радиопередачи в заданном частотном диапазоне, обеспечивая высокую скорость передачи данных в радиоканале, организация полноценной многолучевой сети связи, работа которой будет автоматически поддерживаться. Такой результат обеспечивается за счет объединения в составе приемо-передающего радиочастотного блока в одном модуле блока обработки и маршрутизации данных, блока управления диаграммой направленности антенн, приемной и передающей антенн, повышающего и понижающего геретодинов, а также за счет включения в состав устройства модуля цифрового модема, в состав которого входит контроллер сети. 1 ил.

Description

Полезная модель относится к области радиотехники и предназначена для организации высокоскоростного обмена информацией по радиоканалу согласно протоколу IEEE 802.11ay, в частности, для организации высокоскоростного канала радиосвязи в частотном диапазоне 60 ± 2,4 ГГц.

Известно техническое решение - радиочастотный модуль для радиорелейной линии связи (RU 201892 U1). В радиочастотном модуле для радиорелейной линии связи установлены связанные и смонтированные на общей плате с интегрированным блоком питания блок модема и приемопередатчик с интегрированными приемной и передающей антенными решетками. Также известное устройство содержит контроллер, связанный с блоком модема, приемопередатчиком, и снабженный программными инструкциями, обеспечивающими обмен управляющими сигналами между модемом и приемопередатчиком с антенными решетками.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является устройство радиосвязи с электронной подстройкой луча (RU 2585309 С2). Система содержит два удаленных друг от друга приемопередатчика миллиметрового диапазона длин волн, обеспечивающих высокоскоростную передачу данных в дуплексном режиме и содержащие высоконаправленные антенны, способные обеспечить электронное сканирование в некотором непрерывном диапазоне углов. В состав приемопередатчика входят высоконаправленные антенны, переключающая схема, блок управления диаграммой направленности антенных решеток, диплексер (блок обработки и маршрутизации данных), передающий и приемный тракты.

Недостатками известных устройств является то, что все функциональные радиочастотные компоненты выполнены в виде дискретных элементов - отдельных модулей, что увеличивает потери в радиочастотном тракте и, как следствие, имеет низкое значение соотношения сигнал-шум и небольшую дальность связи, а также не позволяет осуществлять радиопередачу в широком частотном диапазоне, что влияет на скорость передачи данных в радиоканале. Так же в составе прототипа отсутствует модуль цифрового модема, что не позволяет использовать его в качестве самодостаточного устройства сети передачи данных, а использование модуля модема в виде отдельного устройства снижает скорость обработки и подготовки данных.

Техническим результатом, на достижение которого направлена, полезная модель является осуществление радиопередачи в заданном частотном диапазоне, обеспечивая высокую скорость передачи данных в радиоканале, организация полноценной многолучевой сети связи, работа которой будет автоматически поддерживаться.

Указанный технический результат достигается тем, что приемопередающий радиочастотный блок, содержащий приемный и передающий тракты, снабжен модулем цифрового модема 12, включающий блок модулятора/демодулятора 13, блок маршрутизатора 14 и контроллер сети 15, а приемный и передающий тракты включены в состав модуля аналоговой обработки сигнала 1, включающего блок управления диаграммой направленности антенн 2 и блок обработки и маршрутизации данных 11, при этом приемный тракт включает приемную антенну 3, выполненную в виде антенной решетки, приемный усилитель 4, понижающий гетеродин 5 и аналого-цифровой преобразователь 6, приемная антенна 3 соединена с приемным усилителем 4, выход которого соединен со входом понижающего гетеродина 5, выход которого, в свою очередь, соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 6, а передающий тракт включает цифроаналоговый преобразователь 7, повышающий гетеродин 8, передающий усилитель 9 и передающую антенну 10, выполненную в виде антенной решетки, выход цифроаналогового преобразователя 7 соединен со входом повышающего гетеродина 8, выход которого соединен со входом передающего усилителя 9, который соединен с передающей антенной 10, блок обработки и маршрутизации данных 11 одним выходом соединен со входом блока управления диаграммой направленности антенн 2, а вторым выходом - со входом цифроаналогового преобразователя 7, входом соединен с выходом аналогово-цифрового преобразователя 6, а двунаправленной связью соединен с блоком модулятора/демодулятора 13 модуля цифрового модема 12, блок модулятора/демодулятора 13 двунаправленной связью соединен с блоком маршрутизатора 14, который, в свою очередь, двунаправленной связью соединен с контроллером сети 15.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема приемопередающего радиочастотного блока.

Приемопередающий радиочастотный блок содержит модуль аналоговой обработки сигнала 1, включающий блок управления диаграммой направленности антенн 2, приемный и передающий тракты, блок обработки и маршрутизации данных 11, модуль цифрового модема 12, включающий блок модулятора/демодулятора 13, блок маршрутизатора 14, контроллер сети 15.

Приемопередающий радиочастотный блок посредством двунаправленной связи контроллера сети 15 соединен с внешним инфокоммуникационным устройством 16.

Приемный тракт включает приемную антенну 3, выполненную в виде антенной решетки, приемный усилитель 4, понижающий гетеродин 5 и аналогово-цифровой преобразователь 6, при этом приемная антенна 3 соединена с приемным усилителем 4, выход которого соединен со входом понижающего гетеродина 5, выход которого, в свою очередь, соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 6.

Передающий тракт включает цифроаналоговый преобразователь 7, повышающий гетеродин 8, передающий усилитель 9 и передающую антенну 10, выполненную в виде антенной решетки, при этом выход цифроаналогового преобразователя 7 соединен со входом повышающего гетеродина 8, выход которого соединен со входом передающего усилителя 9, который соединен с передающей антенной 10.

Блок обработки и маршрутизации данных 11 одним выходом соединен со входом блока управления диаграммой направленности антенн 2, а вторым выходом - со входом цифро-аналогового преобразователя 7, входом соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя 6, а двунаправленной связью соединен с блоком модулятора/демодулятора 13 модуля цифрового модема 12.

Блок модулятора/демодулятора 13 двунаправленной связью соединен с блоком маршрутизатора 14, который, в свою очередь, двунаправленной связью соединен с контроллером сети 15.

Модуль аналоговой обработки сигнала 1 предназначен для обработки аналогового сигнала в целях подготовки его для обработки модулем цифрового модема 12 при работе в режиме приема и для передачи сигнала в эфир при работе в режиме передачи.

Блок управления диаграммой направленности антенн 2 на основе данных, сформированных блоком маршрутизатора 14 и полученных от блока обработки и маршрутизации данных 11 осуществляет формирование диаграммы направленности приемной 3 и передающей 10 антенн.

Приемная антенна 3 осуществляет прием радиочастотного сигнала из эфира.

Приемный усилитель 4 увеличивает мощность принятого сигнала, подготавливая его к дальнейшей обработке.

Понижающий гетеродин 5 понижает частоту сигнала до значений, доступных для обработки аналого-цифровым преобразователем 6.

Аналого-цифровой преобразователь 6 осуществляет трансформацию аналогового сигнала в цифровой.

Цифроаналоговый преобразователь 7 осуществляет трансформацию цифрового сигнала в аналоговый.

Повышающий гетеродин 8 повышает частоту сигнала до уровня несущей частоты передачи.

Передающий усилитель 9 повышает мощность передаваемого сигнала для обеспечения большей дальности связи.

Передающая антенна 10 осуществляет излучение радиочастотного сигнала в эфир.

Блок обработки и маршрутизации данных 11 осуществляет перераспределение потоков данных между блоками модуля аналоговой обработки сигнала 1 на основе цифровых маркеров, расставленных в потоке данных блоком маршрутизатора 14, обрабатывает метки, расставленные блоком маршрутизатора 14.

Модуль цифрового модема 12 предназначен для распределения потоков данных между инфокоммуникационными устройствами, объединенными в сеть связи.

Блок модулятора/демодулятора 13 предназначен для накладывания на поток информации помехозащитных кодов.

Блок маршрутизатора 14 осуществляет распределение данных на основе информации, полученной от контроллера сети 15 путем расстановки цифровых маркеров в пакете общего сигнала, на основе которых блок обработки и маршрутизации данных 11 осуществляет распределение потоков данных между блоками модуля аналоговой обработки сигнала 1.

Контроллер сети 15 осуществляет распределение данных между взаимодействующими устройствами сети.

Инфокоммуникационное устройство 16 внешнее устройство сети, участвующее в информационном обмене.

Контроллер сети 15 с установленным в нем программным обеспечением осуществляет распределение данных - передаваемых и принимаемых пакетов информации, между внешними устройствами сети. При поступлении информации от внешнего инфокоммуникационного устройства 16 контроллер сети 15 сравнивает биты адреса, в обязательном порядке содержащиеся в пакете поступившей информации, с собственными битами адреса. При полном или частичном несовпадении информация далее не обрабатывается. При полном совпадении собственных и принятых в пакете информации битов адреса, контроллер сети 15 проверяет наличие в пакете информации данных об адресе получателя информации. В случае их отсутствия информация далее не обрабатывается, а контроллер сети 15 формирует и отправляет на инфокоммуникационное устройство 16 сообщение о том, что принятый пакет не корректен. В случае наличия в обрабатываемом пакете информации данных об адресате получателя информации, пакет передается в блок маршрутизатора 14 для дальнейшей обработки. Аналогичным образом контроллером сети 15 обрабатываются запросы от внешнего инфокоммуникационного устройства 16 на получение данных от абонента, находящегося в заданном направлении. Аналогичным образом контроллером сети 15 обрабатываются пакеты информации, принятые по эфиру устройством, с той разницей, что при поступлении информации по эфиру пакет данных передается контроллером сети 15 внешнему инфокоммуникационному устройству 16, а сообщения о том, что принятый пакет не корректен отправляются по эфиру на устройство, с которого была осуществлена передача.

В частности, в контроллере сети 15 может быть применен алгоритм по протоколу «B.A.T.M.A.N.» (https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1421722). Пакет информации, принятый блоком маршрутизатора 14, содержит данные об адресате - получателе информации. На основе этих данных блок маршрутизатора 14 формирует пакет команд, который через блок модулятора/демодулятора 13 и блок обработки и маршрутизации данных 11, поступает на блок управления диаграммой направленности антенн 2. Аналогичным образом формируется и передается команда на блок управления диаграммой направленности антенн 2 при поступлении запроса на получение данных от абонента, находящегося в заданном направлении.

Все перечисленные блоки модуля аналоговой обработки сигнала 1 выполнены на едином полупроводниковом кристалле, что обеспечивает минимизацию потерь при аналоговой обработке сигнала, как следствие, к повышению соотношения сигнал-шум, и увеличению возможной скорости передачи данных до 10 Гбит/с.

Наличие блока управления диаграммой направленности антенн 2, выполненных в виде антенных решеток, позволяет:

получить дальность связи в заданном рабочем диапазоне частот до 300 метров путем формирования узкой диаграммы направленности, обеспечивающей необходимый коэффициент усиления антенны для достижения повышенной дальности радиосвязи;

организовывать перестраиваемый по направлению канал передачи данных. Формирование диаграммы направленности приемной 3 и предающей 10 антенн осуществляется путем соответствующего распределения фаз между элементами антенной решетки;

а также позволяет реализовать в разработанном устройстве алгоритм поиска взаимного направления лучей антенных решеток приемной 3 и предающей 10 антенн.

Алгоритм поиска заключается в том, что приемное устройство (получатель информации) в изначальный момент процесса установления связи формирует максимально возможную широкую диаграмму направленности своей антенны и инициирует передачу тестового сигнала. В это время передающее устройство (передатчик информации) осуществляет процедуру сканирования максимально возможно узким лучом диаграммы направленности своей антенной по всему доступному диапазону углов перестройки, фиксируя значение мощности принятого тестового сигнала на каждом угле сканирования. После осуществления сканирования передающее устройство формирует максимально возможно узкий луч диаграммы направленности своей антенны, выполненной в виде антенной решетки, в направлении угла, на котором был принят сигнал наибольшей мощности во время сканирования, и инициирует передачу тестового сигнала. Приемное устройство при этом формирует максимально возможно узкий луч своей диаграммы направленности и осуществляет сканирование лучом по всему возможному диапазону углов перестройки, фиксируя уровень мощности принятого сигнала на каждом угле сканирования. По окончанию сканирования приемное устройство формирует максимально возможно узкий луч в направлении угла, с которого был принят сигнал наибольшей мощности во время сканирования. Таким образом, устанавливается связь с минимальными потерями на распространение радиосигнала. В процессе установления связи в ходе сканирования лучом автоматически определяется оптимальное направление на абонента. Это дает возможность поддержания связи одновременно с несколькими абонентами, расположенными в диапазоне углов сканирования луча антенны, выполненной в виде антенной решетки. Таким образом, при помощи разработанного устройства и указанного алгоритма возможна организация полноценной многолучевой сети связи, работа которой будет автоматически поддерживаться.

Наличие двух независимых антенных решеток приемной 3 и предающей 10 антенн и блока управления диаграммой направленности антенн 2 позволяет устройству осуществлять прием и передачу сигнала в разных независимых друг от друга направлениях, что позволяет использовать устройство в качестве ретранслятора сигнала.

Благодаря наличию в модуле цифрового модема 12 блока маршрутизатора 14 и контроллера сети 15 с установленным в нем программным обеспечением, приемо-передающий радиочастотный блок поддерживает функции сетевого маршрутизатора и модема. Таким образом, благодаря объединению в приемо-передающем радиочастотном блоке модуля аналоговой обработки сигнала 1 и модуля цифрового модема 12, оснащенных программным обеспечением поиска взаимного направления лучей антенн, выполненных в виде антенных решеток, описанного выше, а так же программным обеспечением контроллера сети 15, возможна организация сети связи, работающей как в режиме ретрансляции сигнала, так и в режиме полноценной MESH-сети, обеспечивая бесшовный трафик информации между абонентами по автоматически генерируемым оптимальным маршрутам связи.

При этом, блок маршрутизатора 14 осуществляет распределение данных на основе информации, полученной от контроллера сети 15 путем расстановки цифровых маркеров в пакете общего сигнала, на основе которых блок обработки и маршрутизации данных 11 осуществляет распределение потоков данных между блоками модуля 1, а контроллер сети 15 осуществляет распределение данных между внешними устройствами сети - то есть между внешними инфокоммуникационными устройствами, с которым взаимодействует описываемое устройство.

Устройство поддерживает одновременно режим передачи и приема, и работает следующим образом.

Работа в режиме приема осуществляется следующим образом.

Сигнал от передатчика информации поступает в модуль аналоговой обработки сигнала 1 на приемную антенну 3, направление луча диаграммы направленности которой было предварительно определено по сигналам блока управления диаграммой направленности антенн 2, получившего информацию о необходимом направлении от блока обработки и маршрутизации данных 11, который осуществляет перераспределение потоков данных между блоками модуля 1 на основе цифровых маркеров, расставленных в потоке данных блоком маршрутизатора 14, обрабатывает метки, расставленные блоком маршрутизатора 14. Информация о направлении луча диаграммы направленности предварительно формируется блоком маршрутизатора 14 и через блок модулятора/демодулятора 13 направляется в блок обработки и маршрутизации данных 11. От приемной антенны 3 принятый сигнал поступает на вход приемного усилителя 4, где сигнал усиливается, и с выхода которого подается на вход понижающего гетеродина 5. Понижающий гетеродин 5 понижает несущую частоту сигнала до уровня, доступного для дальнейшей обработки, после чего, сигнал с выхода понижающего гетеродина 5 поступает на вход аналогово-цифрового преобразователя 6, где преобразуется в цифровой вид и подается на вход блока обработки и маршрутизации данных 11. С выхода блока обработки и маршрутизации данных 11 сигнал подается в модуль цифрового модема 12 на вход блока модулятора/демодулятора 13, где преобразуется для его дальнейшей передачи по сети Ethernet. С выхода блока модулятора/демодулятора 13 сигнал поступает на вход блока маршрутизатора 14, с выхода которого через контроллер сети 15 передается конечным инфокоммуникационным устройствам 16, например, модемам, роутерам или персональным компьютерам.

Работа в режиме передачи осуществляется следующим образом.

Сигнал от инфокоммуникационных устройств 16 поступает через контроллер сети 15 в блок маршрутизатора 14, где формирует информацию о направлении луча передающей антенны 10, которая через блок модулятора/демодулятора 13 направляется в блок обработки и маршрутизации данных 11 и далее в блок управления диаграммой направленности антенн 2, по сигналам которого передающей антенной 10 формируется луч диаграммы направленности в заданном направлении. Информационный сигнал поступает из блока маршрутизатора 14 в блок модулятора/демодулятора 13, где подготавливается для его дальнейшей передачи по радиоканалу. Далее обработанный сигнал с выхода блока модулятора/демодулятора 13 поступает на вход блока обработки и маршрутизации данных 11, с выхода которого направляется на цифроаналоговый преобразователь 7, где преобразовывается из цифровой в аналоговую форму. В аналоговом виде сигнал поступает на вход повышающего гетеродина 8, где частота его увеличивается до заданного рабочего частотного диапазона, чем обеспечивается повышенная информационная емкость канала связи. С выхода повышающего гетеродина 8 сигнал поступает на вход передающего усилителя 9, где усиливается до значения, обеспечивающего заданную дальность связи по радиоканалу, и далее на вход передающей антенны 10, которая излучает его в эфир по заданному направлению.

Таким образом, объединение в составе устройства в одном модуле блока обработки и маршрутизации данных 11, блока управления диаграммой направленности антенн 2, приемной 3 и передающей 10 антенн, повышающего 8 и понижающего 5 геретодина, позволяет сократить потери при передаче данных между блоками, увеличивая соотношение сигнал-шум, сократить время на обработку сигнала и позволяет автоматически поддерживать связь по эфиру при помощи оперативного управления диаграммами направленности приемной 3 и передающей 10 антенн, а также включение в состав устройства контроллера сети 15 позволяет осуществлять автоматический контроль потоков входящих данных, сокращая время на их обработку по сравнению с устройствами, использующими контроллер сети как отдельное устройство. При этом, благодаря объединению в приемопередающем радиочастотном блоке модуля аналоговой обработки сигнала 1 и модуля цифрового модема 12, выполненными на одной плате, оснащенных программным обеспечением, реализуется организация сети связи, работающей как в режиме ретрансляции сигнала, так и в режиме полноценной MESH-сети, обеспечивая бесшовный трафик информации между абонентами по автоматически генерируемым оптимальным маршрутам связи. В том числе данное техническое решение позволяет осуществлять радиопередачу в заданном частотном диапазоне, обеспечивая высокую скорость передачи данных в радиоканале, организовать полноценную многолучевую сеть связи, работа которой будет автоматически поддерживаться, получить дальность связи в заданном рабочем диапазоне частот до 300 метров путем формирования узкой диаграммы направленности, обеспечивающей необходимый коэффициент усиления антенны для достижения повышенной дальности радиосвязи, а также организовывать перестраиваемый по направлению канал передачи данных.

Claims (1)

1. Приемопередающий радиочастотный блок, содержащий приемный и передающий тракты, отличающийся тем, что он снабжен модулем цифрового модема 12, включающего блок модулятора/демодулятора 13, блок маршрутизатора 14 и контроллер сети 15, а приемный и передающий тракты включены в состав модуля аналоговой обработки сигнала 1, включающего блок управления диаграммой направленности антенн 2 и блок обработки и маршрутизации данных 11, при этом приемный тракт включает приемную антенну 3, выполненную в виде антенной решетки, приемный усилитель 4, понижающий гетеродин 5 и аналого-цифровой преобразователь 6, приемная антенна 3 соединена с приемным усилителем 4, выход которого соединен со входом понижающего гетеродина 5, выход которого, в свою очередь, соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 6, а передающий тракт включает цифроаналоговый преобразователь 7, повышающий гетеродин 8, передающий усилитель 9 и передающую антенну 10, выполненную в виде антенной решетки, выход цифроаналогового преобразователя 7 соединен со входом повышающего гетеродина 8, выход которого соединен со входом передающего усилителя 9, который соединен с передающей антенной 10, блок обработки и маршрутизации данных 11 одним выходом соединен со входом блока управления диаграммой направленности антенн 2, а вторым выходом - со входом цифроаналогового преобразователя 7, входом соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя 6, а двунаправленной связью соединен с блоком модулятора/демодулятора 13 модуля цифрового модема 12, блок модулятора/демодулятора 13 двунаправленной связью соединен с блоком маршрутизатора 14, который, в свою очередь, двунаправленной связью соединен с контроллером сети 15.

Images