RU225072U1 - Модем широкополосный - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в радиопередающих, радиоприемных устройствах, в радиорелейных станциях связи для передачи и приема сигналов с многопозиционной фазовой манипуляцией. Техническим результатом полезной модели является увеличение дальности связи за счет увеличения выходной мощности передающего тракта и повышения соотношения сигнал/шум после демодуляции, увеличивающего чувствительность приемного тракта, при сохранении скорости передачи информации 10 Гбит/с. Модем широкополосный 1 содержит передающий 4 и приемный 11 тракты, выполненные с возможностью их соединения с конвертером 3 приемопередатчика и цифровым вычислительным блоком (ЦВБ) 2 приемопередатчика, а также с возможностью переноса модулированного информационного сигнала на промежуточную частоту, затем на рабочую в передающем тракте 4 и с рабочей частоты на промежуточную частоту и на нулевую частоту в приемном тракте 11. Передающий тракт 4 включает энкодер, выполненный в виде двух 10-гигабитных трансиверов 5 и 6, квадратурный модулятор 7, синтезатор частот 8, генератор опорного сигнала 9 и усилитель мощности 10. Входы трансиверов 5 и 6, синтезатора частот 8, усилителя мощности 10 выполнены с возможностью соединения с выходами ЦВБ 2 приемопередатчика для осуществления управления элементами передающего тракта 4. Приемный тракт 11 включает декодер, выполненный в виде двух 10-гигабитных трансиверов 23 и 24, широкополосный делитель мощности 12, блок восстановления несущей частоты для сигнала с видом модуляции BPSK 13, коммутатор 14, блок восстановления несущей для сигнала с видом модуляции QPSK 15, коммутатор 16, синтезатор частот 17, квадратурный демодулятор 18, усилители мощности 19 и 20 и полосовые фильтры 21 и 22. Входы усилителей мощности 19 и 20, коммутатора 16, синтезатора частот 17, коммутатора 14 выполнены с возможностью соединения с выходами ЦВБ 2 приемопередатчика для осуществления управления элементами приемного тракта 1. 1 ил.

Description

Модем широкополосный относится к области радиотехники и может быть использован в радиопередающих, радиоприемных устройствах, в радиорелейных станциях связи для передачи и приема сигналов с многопозиционной фазовой манипуляцией.

Известен приемопередатчик радиорелейной линии EtherHaul-1200 компании Siklu (http://tvtech.ru/70-80-ghz-e-band-radio/etherhaul-1200tl-rrl-siklu.html), передающий и принимающий информационный поток со скоростью до 1000 Мбит/с в частотном диапазоне E-band. Модем, входящий в состав приемопередатчика, формирует сигналы с адаптивной модуляцией, изменяя вид модуляции в зависимости от качества связи от QPSK до 64QAM и с адаптивной шириной спектра излучения.

Главным недостатком данного приемопередатчика является то, что при переходе в более многопозиционные виды модуляции (начиная с QAM16) снижается выходная мощность сигнала, по причине появления интермодуляционных составляющих в усилителях передающего тракта в виду их ограниченной линейности. Вследствие чего уменьшается дальность связи.

Также известен приемопередатчик для радиорелейной линии (см. патент RU 202018 U1, опубл. 27.01.2021), состоящий из передающего тракта, включающего в себя корректор квадратурных сигналов, выполненный на прецизионном цифро-аналоговом преобразователе, смеситель, синтезатор частот; из приемного тракта, включающего в себя, синтезатор частот, смеситель, усилитель квадратурных сигналов; из диплексера и генератора опорного сигнала.

Как и в предыдущем аналоге недостатком данного приемопередатчика является его работа при передаче информационного потока со скоростью более 1 Гбит/с в многопозиционных видах модуляции (до 256QAM), что снижает выходную мощность устройства.

Наиболее близким к полезной модели является техническое решение (см. патент WO 2012/074551 А1, опубл. 07.06.2012) являющееся приемопередатчиком и содержащее диплексер, передающий тракт, включающий в себя энкодер сигнала, синтезатор частот, умножитель частоты на 2, полосовой фильтр сигнала гетеродина, умножитель частоты на 3, квадратурный модулятор и усилитель мощности; приемный тракт, включающий в себя малошумящий усилитель, полосовой фильтр, квадратурный демодулятор, блок восстановления несущей частоты, построенный по схеме петли Костаса и цифровой вычислительный блок (ЦВБ).

Данное устройство формирует сигнал с видом модуляции 8-PSK, который имеет больший пик-фактор по сравнению с видами модуляции QPSK и BPSK, ввиду чего необходимо смещать рабочую точку усилителей передающего тракта от точки компрессии и вследствие чего, снижать выходную мощность устройства. Это является основным недостатком данного технического решения.

Для устранения указанных недостатков, в частности для увеличения выходной мощности передающего тракта приемопередатчика при сохранении скорости передачи информации 10 Гбит/с, в модеме широкополосном в передающем тракте энкодер для формирования модулированного сигнала с шириной спектра до 5 ГГц выполнен в виде двух 10-гигабитных трансиверов и в приемном тракте декодер для преобразования сигналов в цифровой поток также выполнен в виде двух 10-гигабитных трансиверов.

Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является увеличение дальности связи за счет увеличения выходной мощности передающего тракта и повышения соотношения сигнал/шум после демодуляции, увеличивающего чувствительность приемного тракта, при сохранении скорости передачи информации 10 Гбит/с.

Указанный технический результат достигается тем, что в модеме широкополосном, содержащем передающий тракт 4, включающий энкодер, и приемный тракт 11, включающий декодер, передающий тракт 4, включает энкодер, выполненный в виде двух 10- гигабитных трансиверов 5 и 6, выходы которых соединены с двумя входами квадратурного модулятора 7, третий вход которого соединен с выходом синтезатора частот 8, один вход синтезатора частот 8 соединен с выходом генератора опорного сигнала 9, выход квадратурного модулятора 7 соединен со входом усилителя мощности 10, а приемный тракт 11, включает декодер, выполненный в виде двух 10- гигабитных трансиверов 23 и 24, широкополосный делитель мощности 12, один выход которого соединен со входом блока восстановления несущей частоты для сигнала с видом модуляции BPSK 13, выход которого соединен со входом коммутатора 14, один выход которого соединен со входом блока восстановления несущей для сигнала с видом модуляции QPSK 15, который своим выходом соединен со входом коммутатора 16, а вторым выходом коммутатор 14 соединен со входом коммутатора 16, выход коммутатора 16 соединен со входом синтезатора частот 17, выход которого соединен со входом квадратурного демодулятора 18, второй выход широкополосного делителя мощности 12 соединен со входом квадратурного демодулятора 18, который двумя выходами соединен со входами усилителей мощности 19 и 20, соединенных своими выходами со входами полосовых фильтров 21 и 22, выходы которых соединены со входами трансиверов 23 и 24, при этом передающий тракт 4 и приемный тракт 11 выполнены с возможностью их соединения с конвертером 3 приемопередатчика и цифровым вычислительным блоком 2 приемопередатчика, а модем широкополосный 1 выполнен_с возможностью переноса модулированного информационного сигнала на промежуточную частоту, затем на рабочую в передающем тракте 4 и с рабочей частоты на промежуточную частоту и на нулевую частоту в приемном тракте 11, при этом выход усилителя мощности 10 выполнен с возможностью соединения со входом конвертера 3 приемопередатчика, вход широкополосного делителя мощности 12 выполнен с возможностью соединения с выходом конвертера 3 приемопередатчика, выходы трансиверов 23 и 24 выполнены с возможностью соединения со входами цифрового вычислительного блока 2 приемопередатчика, входы трансиверов 5 и 6, синтезатора частот 8, усилителя мощности 10 выполнены с возможностью соединения с выходами цифрового вычислительного блока 2 приемопередатчика, входы усилителей мощности 19 и 20, коммутатора 16, синтезатора частот 17, коммутатора 14 выполнены с возможностью соединения с выходами цифрового вычислительного блока 2 приемопередатчика.

Для работы на скорости до 1 Гбит/с и формирования сигнала с видом модуляции BPSK используют только один из 10-гигабитных трансиверов, а для работы на более высоких скоростях и формирования сигнала с видом модуляции QPSK - оба трансивера. Эти виды модуляции, BPSK и QPSK, менее подвержены искажениям, возникающим в усилительных транзисторах, что позволяет сместить рабочую точку усилителя ближе к точке компрессии и увеличивает выходную мощность передатчика.

Также в полезной модели в отличие от прототипа сначала осуществляется перенос модулированного информационного сигнала на промежуточную частоту (ПЧ), затем на рабочую в передающем тракте и с рабочей частоты на ПЧ и на нулевую частоту в приемном тракте. Использование ПЧ позволяет дополнительно усилить и отфильтровать сигнал и в совокупности с отдельными схемами восстановления несущей частоты для модуляций BPSK и QPSK, переключаемыми коммутаторами, повысить соотношение сигнал/шум после демодуляции, а, следовательно, и чувствительность устройства, что также, как и выходная мощность увеличивает дальность связи.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фигуре представлена структурная схема модема широкополосного.

Модем широкополосный 1 выполнен с возможностью включения его в состав приемопередатчика, содержит передающий 4 и приемный 11 тракты, с возможностью соединения с цифровым вычислительным блоком (ЦВБ) 2 и конвертером 3 приемопередатчика.

ЦВБ 2 приемопередатчика выполнен на базе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), алгоритм работы которой обеспечивает с помощью установленного ПО взаимодействие с функциональными узлами модема широкополосного.

Передающий тракт 4 модема широкополосного 1 включает энкодер, выполненный в виде двух 10- гигабитных трансиверов 5 и 6, выходы которых соединены с двумя входами квадратурного модулятора 7, третий вход которого соединен с выходом синтезатора частот 8 (в качестве синтезатора частот используют синтезатор с ФАПЧ:

https://m.wikipedia.org/wiki/%D0%Al%DO%B8%DO%BD% D1%82%D0% B5%D0%B7%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80_%D1%87%D0% B0%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%82). Один вход синтезатора частот 8 соединен с выходом генератора опорного сигнала 9. Выход квадратурного модулятора 7 соединен со входом усилителя мощности 10. Выход усилителя мощности 10 выполнен с возможностью соединения со входом конвертера 3 приемопередатчика.

Для осуществления управления элементами передающего тракта 4 входы трансиверов 5 и 6, синтезатора частот 8, усилителя мощности 10 выполнены с возможностью соединения с выходами ЦВБ 2 приемопередатчика.

Приемный тракт 11 модема широкополосного 1 включает декодер, выполненный в виде двух 10- гигабитных трансиверов 23 и 24, широкополосный делитель мощности 12, вход которого выполнен с возможностью соединения с выходом конвертера 3 приемопередатчика, один выход широкополосного делителя мощности 12 соединен со входом блока восстановления несущей частоты для сигнала с видом модуляции BPSK 13, выход которого соединен со входом коммутатора 14. Одним выходом коммутатор 14 соединен со входом блока восстановления несущей для сигнала с видом модуляции QPSK 15, который своим выходом соединен со входом коммутатора 16, а вторым выходом коммутатор 14 соединен со входом коммутатора 16. Выход коммутатора 16 соединен со входом синтезатора частот 17, выход которого соединен со входом квадратурного демодулятора 18. Второй выход широкополосного делителя мощности 12 соединен со входом квадратурного демодулятора 18. Двумя выходами квадратурный демодулятор 18 соединен со входами усилителей мощности 19 и 20, которые своими выходами соединены со входами полосовых фильтров 21 и 22, выходы которых соединены со входами 10-гигабитных трансиверов 23 и 24, причем при работе с сигналом с видом модуляции BPSK квадратурный демодулятор 18 соединяется только одним выходом - со входом усилителя мощности 19, а при работе с сигналом с видом модуляции QPSK - двумя выходами со входами усилителей мощности 19 и 20.

Выходы трансиверов 23 и 24 приемного тракта 11 выполнены с возможностью соединения со входами ЦВБ 2 приемопередатчика.

Для осуществления управления элементами приемного тракта 1 входы усилителей мощности 19 и 20, коммутатора 16, синтезатора частот 17, коммутатора 14 выполнены с возможностью соединения с выходами ЦВБ 2 приемопередатчика.

При работе на передачу в ЦВБ 2 приемопередатчика с помощью заданного алгоритма поступающий, например, по каналу Ethernet, битовый поток распознается, определяется скорость передачи данных и битовый поток передается на 10-гигабитные трансиверы 5 и 6 для последующей модуляции с видами BPSK и QPSK, затем он переносится на промежуточную частоты и усиливается для дальнейшей возможно его передачи в конвертор 3 приемопередатчика.

При работе на прием, ЦВБ 2 приемопередатчика управляет коммутаторами 14 и 16, переключающими направление сигнала на промежуточной частоте, поступающего из конвертера 3 приемопередатчика после прохождения делителя мощности 12, переключением коммутаторов 14 и 16 для сигналов с определенным видом модуляции BPSK и QPSK, а также созданием сигнала гетеродина для переноса на нулевую частоту, усилением сигнала с заданным в ЦВБ 2 приемопередатчика коэффициентом, дальнейшей демодуляции и возможности передачи полученного битового потока в ЦВБ 2 приемопередатчика.

Конвертер 3 приемопередатчика служит для переноса с промежуточной частоты на рабочую при работе на передачу сигнала, и с рабочей частоты на промежуточную при приеме сигнала.

Модем широкополосный работает следующим образом.

При работе на передачу.

Информационный поток, формируемый в цифровом вычислительном блоке (ЦВБ) 2 приемопередатчика, поступает в передающий тракт 4 модема широкополосного 1, а именно на трансиверы: в случае работы на скорости до 1 Гбит/с под управлением ЦВБ 2 приемопередатчика включается только трансивер 5, формируя сигнал с видом модуляции BPSK, при более высокой скорости под управлением ЦВБ 2 приемопередатчика включаются оба трансивера - 5 и 6, которые вместе формируют сигнал с видом модуляции QPSK.

Полученные в ЦВБ 2 приемопередатчика сигналы, например, по каналу Ethernet, с помощью установленного ПО, преобразуются в битовые потоки с заданной оператором или определенной автоматически скоростью, подвергаются скремблированию, помехоустойчивому кодированию и кодированный поток в виде отсчетов квадратур поступают на трансиверы 5 или 5 и 6 для дальнейшей модуляции. Полученные модулированные сигналы могут поступать на один вход квадратурного модулятора 7.

В синтезаторе 8 под управлением ЦВБ 2 приемопередатчика, используя в качестве опорного сигнала сигнал, сформированный в генераторе 9, устанавливается частота для переноса сигналов. С выхода синтезатора частот 8 сигнал поступает на второй вход квадратурного модулятора 7.

На выходе квадратурного модулятора 7 получают сигналы с видом модуляции BPSK и видом модуляции QPSK на промежуточной частоте.

Квадратурный модулятор 7 осуществляет перенос модулированного сигнала с нулевой частоты на промежуточную и с выхода квадратурного модулятора 7 сигнал с видами модуляции QPSK или BPSK на промежуточной частоте (ПЧ) поступает на вход усилителя мощности 10, в котором с помощью ЦВБ 2 приемопередатчика задается коэффициент усиления, и сигналы усиливаются на промежуточной частоте. С выхода усилителя мощности 10 усиленный модулированный сигнал на промежуточной частоте поступает в конвертер 3 приемопередатчика.

При работе на прием.

Сигнал на промежуточной частоте с конвертера 3 приемопередатчика поступает в приемный тракт 11 на вход широкополосного делителя мощности 12, выполненного по схеме Уилкинсона, и с одного выхода широкополосного делителя мощности 12 сигнал на промежуточной частоте, как с видом модуляции BPSK, так и с видом модуляции QPSK, поступает на вход блока восстановления несущей частоты 13, с выхода которого поступает на вход коммутатора 14.

В зависимости от вида модуляции (BPSK, QPSK) сигналы переключаются с помощью коммутаторов 14 и 16, управляемых ЦВБ 2 приемопередатчика. В ЦВБ 2 приемопередатчика задается вид модуляции и с выхода коммутатора 14 сигнал с видом модуляции QPSK поступает на вход блока восстановления несущей частоты 15, а сигнал с видом модуляции BPSK поступает на вход коммутатора 16, соответственно коммутатор 16 коммутирует сигнал либо с коммутатора 14, либо с блока восстановления несущей частоты 15.

С выхода коммутатора 16 восстановленная частота для каждого из видов модуляции BPSK или QPSK, в качестве опорного сигнала, поступает на вход синтезатора частот 17, в котором под управлением ЦВБ 2 приемопередатчика устанавливается частота сигнала гетеродина, и с выхода синтезатора частот 17 сформированный сигнал гетеродина поступает на вход квадратурного демодулятора 18 для переноса на нулевую частоту.

На второй вход квадратурного демодулятора 18 со второго выхода широкополосного делителя мощности 12 поступает информационный модулированный сигнал на промежуточной частоте.

С выхода квадратурного демодулятора 18, в котором осуществляется перенос сигнала с промежуточной частоты на нулевую, квадратурные сигналы поступают на входы усилителей мощности 19 и 20, где с помощью ЦВБ 2 приемопередатчика задается коэффициент усиления и сигналы усиливаются на нулевой частоте. С выходов усилителей мощности 19 и 20 сигналы поступают на входы фильтров 21 и 22 для фильтрации от гармоник и нежелательных комбинационных составляющих, и далее квадратурные сигналы поступают на входы трансиверов 23 и 24, которые преобразуют модулированный сигнал в цифровой поток для дальнейшей обработки в ЦВБ 2 приемопередатчика.

Причем при работе с сигналом с видом модуляции BPSK с выхода квадратурного демодулятора 18 квадратурные сигналы поступают на вход усилителя мощности 19, с выхода которого на вход фильтра 21 и далее на вход трансивера 23. А при работе с сигналом с видом модуляции QPSK с выхода квадратурного демодулятора 18 квадратурные сигналы поступают на входы усилителей мощности 19 и 20, с выходов которых на входы фильтров 21 и 22, и далее на входы трансиверов 23 и 24.

С выходов трансиверов 23 и 24 цифровой поток поступает в ЦВБ 2 приемопередатчика для последующего преобразования в информационный поток и передачи по каналу Ethernet.

Таким образом, благодаря использованию пар 10-гигабитных трансиверов, позволяющих работать на скорости до 1 Гбит/с с формированием сигнала с видом модуляции BPSK и на более высоких скоростях с формированием сигнала с видом модуляции QPSK с шириной спектра до 5 ГГц, которые в свою очередь менее подвержены искажениям, возникающим в усилительных транзисторах, реализуется возможность смещения рабочей точки усилителя ближе к точке компрессии, что увеличивает выходную мощность передающего тракта при сохранении скорости передачи информации 10 Гбит/с. В том числе, последовательный перенос модулированного сигнала на промежуточную частоту (ПЧ), и далее на рабочую в передающем тракте, и с рабочей частоты на ПЧ и на нулевую частоту в приемном тракте, в совокупности с отдельными схемами восстановления несущей частоты, переключаемыми коммутаторами, позволяет дополнительно усилить и отфильтровать сигнал и, соответственно, повысить соотношение сигнал/шум и улучшить чувствительность. Таким образом предложенное техническое решение, приводящее к увеличению выходной мощности и улучшению чувствительности, в совокупности приводит к увеличению дальности связи.

Claims (1)

1. Модем широкополосный 1, содержащий передающий тракт 4, включающий энкодер, и приемный тракт 11, включающий декодер, отличающийся тем, что передающий тракт 4 включает энкодер, выполненный в виде двух 10-гигабитных трансиверов 5 и 6, выходы которых соединены с двумя входами квадратурного модулятора 7, третий вход которого соединен с выходом синтезатора частот 8, один вход синтезатора частот 8 соединен с выходом генератора опорного сигнала 9, выход квадратурного модулятора 7 соединен со входом усилителя мощности 10, а приемный тракт 11 включает декодер, выполненный в виде двух 10-гигабитных трансиверов 23 и 24, широкополосный делитель мощности 12, один выход которого соединен со входом блока восстановления несущей частоты для сигнала с видом модуляции BPSK 13, выход которого соединен со входом коммутатора 14, один выход которого соединен со входом блока восстановления несущей для сигнала с видом модуляции QPSK 15, который своим выходом соединен со входом коммутатора 16, а вторым выходом коммутатор 14 соединен со входом коммутатора 16, выход коммутатора 16 соединен со входом синтезатора частот 17, выход которого соединен со входом квадратурного демодулятора 18, второй выход широкополосного делителя мощности 12 соединен со входом квадратурного демодулятора 18, который двумя выходами соединен со входами усилителей мощности 19 и 20, соединенных своими выходами со входами полосовых фильтров 21 и 22, выходы которых соединены со входами трансиверов 23 и 24, при этом передающий тракт 4 и приемный тракт 11 выполнены с возможностью их соединения с конвертером 3 приемопередатчика и цифровым вычислительным блоком 2 приемопередатчика, а модем широкополосный 1 выполнен с возможностью переноса модулированного информационного сигнала на промежуточную частоту, затем на рабочую в передающем тракте 4 и с рабочей частоты на промежуточную частоту и на нулевую частоту в приемном тракте 11, при этом выход усилителя мощности 10 выполнен с возможностью соединения со входом конвертера 3 приемопередатчика, вход широкополосного делителя мощности 12 выполнен с возможностью соединения с выходом конвертера 3 приемопередатчика, выходы трансиверов 23 и 24 выполнены с возможностью соединения со входами цифрового вычислительного блока 2 приемопередатчика, входы трансиверов 5 и 6, синтезатора частот 8, усилителя мощности 10 выполнены с возможностью соединения с выходами цифрового вычислительного блока 2 приемопередатчика, входы усилителей мощности 19 и 20, коммутатора 16, синтезатора частот 17, коммутатора 14 выполнены с возможностью соединения с выходами цифрового вычислительного блока 2 приемопередатчика.

Images