RU2819306C1

RU2819306C1 - Коротковолновая - ультракоротковолновая радиостанция

Info

Publication number: RU2819306C1
Application number: RU2023110271A
Authority: RU
Inventors: Андрей Андреевич Катанович; Вячеслав Александрович Цыванюк; Роман Александрович Солодский; Андрей Александрович Иванов; Наталья Николаевна Илюшина; Александр Владимирович Шинкаренко
Filing date: 2023-04-19
Publication date: 2024-05-17

Abstract

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано для обеспечения обмена мультисервисной информацией взаимодействующих объектов в KB - УКВ диапазоне. Техническим результатом является увеличение функциональных возможностей устройства за счет введения автоматизированных режимов работы и расширения рабочего диапазона частот, позволяющего увеличить пропускную способность радиотракта, обеспечить встречную работу с другими средствами радиосвязи. Технический результат достигается тем, что KB - УКВ радиостанция состоит из модуля приемопередатчика, модуля набора антенных устройств и модуля антенно-согласующего устройства, причем основные функциональные возможности радиостанции определяются приемопередатчиком, содержащим блок усиления мощности, блок питания, приемовозбудитель, содержащий два линейных тракта, терминал ведения связи, блок управления и цифровой обработки сигналов, который обеспечивает управление радиостанцией, синхронизацию в реальном времени и выполнение задач по подстройке опорного генератора по сигналам от модуля ГЛОНАСС/GPS, причем терминал выполнен с возможностью вынесения от радиостанции на расстояние до 5 метров для дистанционной работы со станцией. 5 ил.

Description

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано для обеспечения своевременного, достоверного и безопасного обмена мультисервисной информацией (речь, видео, передача файлов, пакетная передача данных, телеметрия, электронная почта) между взаимодействующими объектами в коротковолновом (КВ) и ультракоротковолновом (УКВ) диапазонах.

Известна ультракоротковолновая радиостанция (патент РФ на изобретение №49400, Н04В 7/00, опубл. 10.11.2005 г.), имеющая в своем составе приемопередающий тракт, антенный блок, систему управления, девятиэлементный фильтр нижних частот с частотой среза 420 МГц и семиэлементный фильтр верхних частот с частотой среза 90 МГц, соединенные через антенный блок последовательно, причем фильтр нижних частот включен в передающий тракт и соединен с усилителем мощности, а фильтр верхних частот включен в приемный тракт и соединен с усилителем верхних частот. Предлагаемая радиостанция предназначена для организации симплексной и дуплексной УКВ радиосвязи. Недостатком известной радиостанции являются низкие функциональные возможности.

Аналогом заявляемой радиостанции является коротковолновая радиостанция (патент РФ на изобретение №85774, опубл. 10.08.2009 г.), содержащая последовательно соединенные антенну, согласующее антенное устройство и антенный коммутатор, блок полосовых фильтров, преобразователь частоты, опорный генератор и синтезатор, усилитель частоты, блок формирования однополосного сигнала, аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи. Недостатком данного устройства является отсутствие автоматизированных режимов высокоскоростной передачи оцифрованной речи и данных файлового типа с повышенной надежностью в условиях повышенного уровня помех, обеспечения связи в смежных диапазонах частот, построения автоматизированных сетей абонентской радиосвязи с адресным доступом и интеграции в действующую инфраструктуру глобальных цифровых сетей с множественным доступом.

Наиболее приемлемой для решения технической проблемы является носимая автоматизированная радиостанция КВ - УКВ диапазона (патент РФ на изобретение № 2696977, опубл. 08.08.2019 г.), работающая на частотах 2-50 МГц и содержащая антенну, антенно-согласующее устройство, усилители промежуточной частоты, усилитель мощности и предварительный усилитель мощности, аттенюатор сигнала, полосовые фильтры, центральный процессор, опорный генератор, цифровой синтезатор частот (прототип). Недостатком данной радиостанции является то, что она работает в узком диапазоне частот, на низкой скорости передачи данных и не поддерживает встречную работу с ранее разработанными средствами.

Целью настоящего изобретения является увеличение функциональных возможностей устройства за счет введения автоматизированных режимов работы, расширения рабочего диапазона частот при малых массогабаритных характеристиках, позволяющих его использовать на малых транспортных средствах.

Поставленная цель достигается за счет того, что КВ - УКВ радиостанция, содержащая модуль приемопередатчика, модуль набора антенных устройств и модуль антенно-согласующего устройства, при этом приемопередатчик своим входом соединен через антенно-согласующее устройство с набором антенных устройств, а выходом – с внешней ЭВМ, при этом набор антенных устройств содержит антенны УКВ диапазона, КВ диапазона и антенну спутниковой навигации, приемопередатчик выполнен в корпусе 3U и содержит память, блок усиления мощности, блок питания и приемовозбудитель, который состоит из двух линейных трактов, модуля терминала ведения связи, блока управления и цифровой обработки сигналов, который, в свою очередь, состоит из модуля управления, управляющего радиостанцией, модуля ГЛОНАСС/GPS, устанавливающего реальное временя с помощью системы синхронизации, модулей аналого-цифрового преобразователя и цифро-аналогового преобразователя, осуществляющих соответственно аналого-цифровое и цифроаналоговое преобразование принимаемого и передаваемого сигналов, модулей модулятора и демодулятора, осуществляющих модуляцию и демодуляцию передаваемого и принимаемого сигнала соответственно, причем терминал ведения связи соединен с принтером и Flash-носителем и предоставляет оператору интерфейс для подключения микротелефонной гарнитуры, Flash-носителя, принтера, внешней ЭВМ, при этом антенна УКВ диапазона выполнена широкополосной с круговой диаграммой направленности, приемопередатчик обеспечивает прием и передачу пакетных сообщений в двухстороннем режиме без псевдослучайной перестройки рабочей частоты с использованием процедуры автоматического установления связи с частотной адаптацией к условиям распространения радиоволн и помеховой обстановке в канале связи на основе выбора из предварительно введенных в память приемопередатчика рабочих и вызывных частот, а терминал выполнен с возможностью вынесения от радиостанции на расстояние до 5 м для дистанционной работы с радиостанцией.

На фиг. 1 представлена блок-схема КВ - УКВ радиостанции. Она содержит устройства, которые имеют следующие обозначения:

1. модуль приемопередатчика, являющийся основным функциональным модулем радиостанции;

2. модуль набора антенных устройств, необходимых для обеспечения связи в заданных условиях эксплуатации и в заданном диапазоне частот;

3. модуль антенно-согласующего устройства (АНСУ), обеспечивающий согласование усилителя мощности приемопередатчика с антенно-фидерными устройствами;

4. модуль терминала ведения связи и при необходимости подключаемые к нему микротелефонная гарнитура с СКЗИ, принтер и Flash-носитель.

Радиостанция обеспечивает работу в дуплексном и симплексном режимах. Модуль приемопередатчика 1 предназначен для работы в составе радиостанции в качестве приемопередающего устройства в КВ - УКВ диапазоне и обеспечивает возможность приема по двум независимым трактам, передачу информации по одному тракту в полудуплексном режиме и работу в режиме дуплекса. Тракты приема и передачи построены по схеме прямого аналого-цифрового преобразователя. Цифровая обработка сигналов производится в блоке управления и цифровой обработки сигналов, который обеспечивает управление составными частями радиостанции и сопряжение с внешними устройствами. Приемопередатчик оборудован громкоговорителем для обеспечения возможности прослушивания принимаемой информации без дополнительных устройств. На его лицевой панели под защитной планкой расположена кнопка БЕДСТВИЕ, которая служит для передачи донесения об аварии с использованием радиолинии «Сплав».

Для обеспечения связи в условиях эксплуатации радиостанции в состав модуля набора антенных устройств 2 включены широкополосная антенна УКВ диапазона (АШ-УКВ), антенна КВ диапазона и антенна спутниковой навигации GPSGL-TMG-SPI-40NCB. Изделие АШ-УКВ представляет собой антенну с круговой диаграммой направленности и обеспечивает ненаправленные прием и передачу сигналов на вертикально поляризованных радиоволнах в диапазоне частот от 30 до 80 МГц. Антенна спутниковой навигации обеспечивает прием сигналов системы ГЛОНАСС/GPS с возможностью определения координат и точного времени.

Использование АНСУ 3 в качестве самостоятельного модуля продиктовано возможностью размещения его рядом с антенной вне технических зданий. АНСУ 3 обеспечивает работу радиостанции в трех режимах:

- в режиме «Обход» - передачу ВЧ сигнала непосредственно с антенного входа на вход приемопередатчика без использования контура согласования;

- в режиме автоматического согласования входного импеданса одной из антенн с радиотрактом приемопередатчика:

- с использованием предварительно настроенного канала (ПНК).

В режиме автоматического согласования АНСУ 3 при помощи встроенных измерительных датчиков измеряет импеданс подключенной антенны на заданной частоте и производит настройку согласующего контура блока. В режиме работы в ПНК микроконтроллер АНСУ 3 запоминает состояние элементов согласующего контура для заданных частоты и антенны. В дальнейшем использование ПНК позволяет производить настройку согласующего контура без проведения согласования по алгоритму, что обеспечивает вхождение в связь за короткое время.

В качестве модуля терминала ведения связи 4 используется передняя панель приемопередатчика 1 со встроенным дисплеем, обеспечивающая:

- выбор режима работы радиостанции;

- оперативное введение (изменения) радиоданных и суточного расписания сеансов радиосвязи;

- запуск процедур эксплуатационного контроля и диагностирования технического состояния;

- доступ к накопленной в блоке управления информации;

- включение режима передачи «Бедствие»;

- отображение текущего времени.

Тракт приема приемопередатчика реализован по схеме прямого аналого-цифрового преобразователя, а тракт преобразования излучаемого сигнала - с помощью цифрового формирователя.

В отличие от известных приемопередатчиков, заявляемый приемопередатчик конструктивно представляет одно устройство, выполненное в корпусе 3U евробазы, что подходит для его использования на малых транспортных средствах с увеличенной дальностью связи.

Радиостанция обеспечивает широкие функциональные возможности:

- прием и передачу пакетных сообщений, содержащих до 2000 символов, в двухстороннем режиме без псевдослучайной перестройки рабочей частоты (ППРЧ) с использованием процедуры автоматического установления связи (АУС) с частотной адаптацией к условиям распространения радиоволн и помеховой обстановке в канале связи на основе выбора из предварительно введенных в память приемопередатчика рабочих и вызывных частот (до 32 рабочих и 12 вызывных частот) для осуществления обмена пакетными сообщениями между двумя однотипными радиостанциями;

- передачу и прием файловой информации со скоростью до 9600 бит/с в двухстороннем режиме без ППРЧ;

- прием и передачу до 100 условных сигнально-кодовых команд с объемом чисел от 0 до 99 в режиме с ППРЧ с возможностью квитирования со скоростью до 50 скачков в секунду (режим «Условная команда»);

- передачу и прием коротких сообщений, содержащих до 100 символов, в двухстороннем режиме с ППРЧ со скоростью до 50 скачков в секунду (режим короткого сообщения);

- прием и передачу групп до 100 условных команд в одностороннем и двухстороннем режимах без ППРЧ;

- установку единого времени в ручном режиме оператором либо в автоматическом режиме с помощью встроенного приемника ГЛОНАСС/GPS;

- с помощью системы ГЛОНАСС/GPS определение координат и точного времени, автоматическое введение координат в режиме цифрового индивидуального вызова (ЦИВ) и передачу донесения об аварии в режиме «Бедствие» в структуре сигнала по радиолинии «Сплав».

Структура цифрового приемного тракта строится по схеме прямого цифрового преобразователя и состоит:

- из антенно-фидерного устройства;

- из избирательной системы плюс аттенюатора, обеспечивающего согласование уровня входного воздействия с динамическим диапазоном тракта, плюс усилителя радиочастоты (линейный тракт приема - преселектор);

- из блока аналого-цифрового преобразователя с дальнейшей обработкой сигнала в цифровой форме.

В режиме передачи сигналы телефонных и телеграфных классов излучения формируются сигнальным процессором на нулевой частоте, затем посредством квадратурного цифрового повышающего преобразователя переносятся на частоту рабочего диапазона, фильтруются и поступают на вход усилителя мощности радиочастоты.

На фиг. 2 представлена блок-схема приемопередатчика (продолжение).

Она содержит устройства, обозначенные номерами:

4 - модуль терминала ведения связи;

5 - блок усилителя мощности (БУМ);

6 - приемовозбудитель;

7 - блок управления и цифровой обработки сигналов (БУЦОС);

8 - блок питания.

Блок усилителя мощности 5 - усилительный каскад, предназначенный для передачи в нагрузку заданной либо максимально возможной мощности при максимально возможном КПД и минимальных нелинейных искажениях.

Приемовозбудитель 6 обеспечивает работу в составе автоматизированных КВ - УКВ симплексных и полудуплексных радиостанций телефонной и телеграфной связи в режимах J3E, J7B, F1B, G1B, А1А, F1B с возможностью частотной адаптации в полосе телефонного канала.

Основные функциональные возможности радиостанции определяются параметрами приемопередатчика, составными частями которого являются два линейных тракта, терминал ведения связи, блок управления и цифровой обработки сигналов 7, обеспечивающий:

- управление радиостанцией (модуль управления);

- установку реального времени с помощью системы синхронизации (модуль ГЛОНАСС/GPS);

- аналого-цифровое и цифроаналоговое преобразование принимаемого и передаваемого сигнала, выполнение задач по подстройке опорного генератора по сигналам от модуля ГЛОНАСС/GPS (модуль АЦП и ЦАП);

- осуществление модуляции и демодуляции передаваемого и принимаемого сигнала соответственно, формирование низкочастотных аналоговых входов и выходов, работу с гарнитурой (модули модулятора и демодулятора).

Блок питания 8 обеспечивает электроснабжение радиостанции от сети переменного тока 220 В, или от электросети автомобиля 24 В, или от штатной аккумуляторной батареи (АБ) с выходным напряжением от 11,5В до 16,5В.

Линейные тракты приема радиоприемного устройства (РПУ) и тракты формирования спектра излучаемых сигналов возбудителей строятся как по супергетеродинной схеме, так и с помощью прямого аналого-цифрового преобразователя.

Известно, что в супергетеродинных приемниках и возбудительных устройствах шумы синтезатора частот оказывают негативное влияние на основные параметры этих устройств [1, 2]: в режиме передачи - на спектральную плотность шумов излучаемого сигнала, а в режиме приема - на чувствительность и интермодуляционные искажения в динамическом диапазоне, на эффективную избирательность приемника. Шумы гетеродина особенно сказываются при наличии на входе приемника сосредоточенных помех. Их влияние целесообразно оценивать с помощью динамической чувствительности [1].

Блокирование и шум гетеродина характеризуют одно общее свойство приемного тракта - снижение значения отношения сигнал/шум на выходе при воздействии на входе мешающего сигнала, расположенного вне полосы пропускания информационного канала. В первом случае это происходит из-за подавления полезного сигнала мешающим, во втором - ввиду возрастания внутреннего шума супергетеродинного тракта приема за счет переноса шумов гетеродина отстроенной помехой в полосу пропускания фильтра промежуточной частоты, что и определяет динамическую чувствительность приемника.

При эксплуатации радиостанции не имеет значения, по какой причине происходит снижение значения отношения сигнал/шум на выходе приемника, и важен только один обобщенный параметр - избирательность работы РПУ по соседнему каналу, характеризующая помехоустойчивость приемника - способность отличать полезный сигнал от помех при их одновременном воздействии на его вход. Оценка этого параметра играет большую роль при проектировании аппаратуры.

На фиг. 3 приведены кривые зависимости коэффициента ухудшения динамической чувствительности цифрового РПУ, реализованного на базе АЦП типа AD6645, (кривая 1), полученные аналитическим путем [1], от уровня помехи U_{п г} на входе супергетеродинного РПУ и от уровня отношения сигнал/шум гетеродина (кривые 2, 3, 4):

- кривая 1 - зависимости коэффициента ухудшения динамической чувствительности цифрового РПУ от уровня помехи на входе;

- кривая 2 - при U_г/U_{п г}=150 дБ/Гц;

- кривая 3 - при U_г/U_{п г}=160 дБ/Гц;

- кривая 4 - при U_г/U_{п г}=170 дБ/Гц.

Супергетеродинный тракт с сигналом гетеродина, имеющего уровень отношения сигнал/шум 150, 160 и 170 дБ/Гц (см. фиг. 3, кривые 2, 3, 4 соответственно) при отстройке от частоты настройки не более 10%, в зависимости от ЭДС помехи на входе смесителя реализован на базе отечественной микросхемы серии 590КН8, в которую входят четыре полевых транзистора с изолированным затвором и m каналами обогащенного типа.

Данный смеситель широко используется в отечественных магистральных приемниках и по своим параметрам и характеристикам не уступает зарубежному. При расчетах принято следующее значение параметра уровня гетеродина сигнала U_г=5 B. Спектральная плотность входной помехи S_{п вх} определена для приемника, имеющего номинальное входное сопротивление 50 Ом, коэффициент помехи - 12 дБ, коэффициент усиления линейного тракта по ЭДС - около 2 (до смесителя), что соответствует параметрам магистрального РПУ.

Из анализа зависимостей коэффициента ухудшения динамической чувствительности от отношения сигнал/шум гетеродина и результатов воздействия помехи с уровнем 120 дБмкВ видно, что чувствительность приемника ухудшается:

- на 20 дБ - при отношении сигнал/шум гетеродина 150 дБ/Гц;

- на 10,3 дБ - при отношении сигнал/шум гетеродина 160 дБ/Гц;

- на 3 дБ - при отношении сигнал/шум гетеродина 170 дБ/Гц.

Из представленных данных следует, что в параметре восприимчивости к блокированию содержится характеристика нелинейности тракта и не учитывается ухудшение помехоустойчивости тракта приема, вызванное шумами гетеродина. Блокирование обусловлено снижением уровня сигнала на 3 дБ, а из-за шумов гетеродина в приемниках чувствительность ухудшается не менее чем на 20 дБ.

В приемнике, реализующем прямое аналого-цифровое преобразование, аналогичное влияние на чувствительность оказывает спектральная плотность шумов сигнала дискретизации. Но широкополосный шум сигнала дискретизации может быть уменьшен с помощью достаточно простого узкополосного фильтра. Динамическая чувствительность цифрового приемника в реальных условиях в основном зависит от уровня напряжения насыщения U_{н ацп} аналого-цифрового преобразователя, т.е. всегда должно выполняться условие U_{н ацп}≥U_cK_п, где U_c - напряжение сигнала (помехи) на входе приемника; K_п - коэффициент усиления тракта приемника до АЦП.

При превышении сигналом на входе АЦП значения U_{н ацп} в тракте включается затухание аттенюатора, при котором выполняется данное условие. Из результатов сравнения зависимостей коэффициента ухудшения динамической чувствительности приемного тракта, построенного по схеме прямого аналого-цифрового преобразователя, с супергетеродинным, видно, что при уровнях помех до 120 дБмкВ на входе и при отношении сигнал/шум гетеродина 150 дБ/Гц приемники могут реализовать приблизительно равные значения чувствительности, а при уровнях помех до 100 дБмкВ чувствительность цифрового приемника потенциально может быть реализована выше, чем супергетеродинного.

Так как используемые синтезаторы имеют относительную спектральную плотность шумов гетеродина не менее чем 150 дБ/Гц при отстройке на 150 кГц и более от частоты настройки, то в структуре приемопередатчика построение трактов приема-передачи может быть реализовано цифровым способом непосредственно после прохождения сигнала через преселектор (модули АЦП и ЦАП), что обеспечивает более высокую надежность и меньшие массогабаритные характеристики.

При цифровом методе формирования излучаемого сигнала в качестве повышающего преобразователя, наиболее удовлетворяющего предъявляемым к приемопередатчику требованиям по электрическим и эксплуатационным характеристикам, можно использовать микросхему AD9957. При этом в спектре выходного сигнала в результате цифровых преобразований спектральная плотность шума составит не более 150 дБ/Гц, что недостаточно для получения требуемого отношения сигнал/шум излучаемого сигнала. На работу приемного тракта в симплексном режиме излучение собственного сигнала не влияет, и в этом смысле в целях снижения себестоимости и упрощения структуры всей радиостанции следовало бы рассмотреть возможность снижения уровня отношения сигнал/шум излучаемого сигнала до 150 дБ/Гц, что обеспечивается при использовании цифрового метода формирования сигнала без селектора. Эта структура может быть реализована в приемопередатчике в случае, если нет необходимости соблюдать требование по восприимчивости к блокированию уровнем 130 дБмкВ, что является характерным, в основном, для совмещенных узлов связи и нормируется ГОСТ РВ 5801-001-2008.

При пакетной связи (с перезапросом плохо принятых пакетов) для исключения их потери и снижения пропускной способности канала желательно обеспечить возможность одновременного приема и передачи. В этом случае работа одних и тех же элементов в тракте приемопередатчика в дуплексе исключена, и в структурной схеме приемопередатчика появляются самостоятельный тракт приема R_x и тракт приема-передачи R_x/T_x, что является положительной отличительной особенностью приемопередатчика.

Для приемопередатчика, работающего в дуплексном режиме, отношение сигнал/шум излучаемого сигнала имеет особое значение: из-за мощного сигнала собственного передатчика, наводимого в приемной антенне, чувствительность приемного тракта может быть значительно ухудшена.

Уменьшить уровень наведения можно путем пространственного разнесения приемной и передающей антенн. Однако достаточного разнесения антенн трудно достичь при работе радиостанции в движении и на ограниченном пространстве.

Обеспечить эффективную работу в дуплексе при близком расположении приемной и передающей антенн можно за счет введения в приемный тракт высокоизбирательного перестраиваемого преселектора, ослабляющего наводимый сигнал собственного передатчика при его надлежащей частотной отстройке от принимаемого сигнала. Преселектор полезен и при работе в полудуплексе, так как защищает приемный тракт от сторонних станционных помех, что делает возможным эксплуатацию радиостанции в сложных помеховых условиях - в крупных промышленных зонах, городах, поблизости от мощных радиопередатчиков.

В настоящее время в комплексах связи, особенно на совмещенных радиоцентрах, наблюдается диспропорция между значением чувствительности приемника (или трансивера в режиме приема) и отношением сигнал/шум работающих на центре (особенно на кораблях) передатчиков (или трансивера в режиме передачи): наблюдается ухудшение чувствительности приемника при воздействии на его вход сигнала передатчика, но не из-за явления блокирования, а из-за спектральной плотности шума сигнала на частоте настройки приемника. На фиг. 4 представлена зависимость относительной спектральной плотности шумов помехи, действующей на входе приемного тракта, отстроенной на 10% от частоты настройки и ухудшающей его чувствительность на 3 дБ в полосе телефонного канала 3,1 кГц (при коэффициенте шума в тракте приемника К_ш=16 дБ), от уровня помехи: при ЭДС помехи 1 В спектральная плотность ее шумов должна быть не хуже 162 дБ/Гц, а при 3 В, - соответственно, не хуже 172 дБ/Гц.

Уровень отношения сигнал/шум в режиме передачи трансивера определяется следующими основными факторами:

- значением отношения сигнал/шум на выходе преобразователя AD9957, которое составляет, как уже известно, не более 150 дБ/Гц;

- избирательностью преселектора за полосой;

- уровнем сигнала возбуждения приемопередатчика и коэффициентом шума усилителя мощности.

Так, перестраиваемый контур на выходе приемопередатчика при отстройках, составляющих 8-10%, от излучаемого сигнала обеспечивает подавление не менее 10 дБ, и, следовательно, значение отношения сигнал/шум излучаемого сигнала такого трансивера может составлять не менее 160 дБмкВ при условии, что уровень собственных шумов усилителя мощности значительно ниже уровня шумов сигнала возбуждения. Это требует получения соотношения коэффициента шума усилителя мощности и величины сигнала возбуждения. На фиг. 5 представлены кривые зависимости относительной спектральной плотности шумов сигнала от его уровня для усилителя с коэффициентами шума 3, 6 и 10 дБ. Так, чтобы сохранился уровень отношения сигнал/шум возбуждающего сигнала 160 дБ/Гц на выходе трансивера, шумы усилителя мощности должны быть, по крайней мере, на 10 дБ ниже уровня шума сигнала возбуждения, т.е. при коэффициенте шума усилителя мощности 10 дБ уровень сигнала возбуждения должен быть 0,5-0,7В.

Следовательно, номинальный уровень сигнала возбуждения на входе усилителя мощности - около 1В, а коэффициент шума усилителя мощности - не более 10 дБ. С учетом таких параметров можно получить отношение сигнал/шум излучаемого сигнала не менее 160 дБ/Гц.

Исходя из фиг. 5, можно сделать вывод, что уровень отношения сигнал/шум 160 дБ/Гц для излучаемого сигнала при работе приемопередатчика в дуплексном режиме является недостаточным, что приводит к потере чувствительности не менее чем на 12 дБ при воздействии на антенный вход приемника излучаемого сигнала с уровнем до 130 дБмкВ.

При практической реализации необходимо устранять противоречия в режиме передачи между максимальным уровнем отношения сигнал/шум и минимальными нелинейными искажениями 3-го порядка, которые в приемопередатчиках составляют не менее 32 дБ. Для получения же минимальных искажений в тракте приемопередатчика требуется снижать уровень напряжения возбуждения.

При выборе компромиссных решений получение высоких значений отношения сигнал/шум является сложной задачей, особенно при работе радиостанций в режимах с программной перестройкой частоты. В режиме с ППРЧ требуются малое время (не более 10 мс) и высокий ресурс перестроек частоты 10⁸-10⁹, который в селекторе, в основном, обеспечивается с помощью дискретного конденсатора, переключаемого pin-диодами. Применение pin-диодов в качестве коммутирующих элементов для перестройки LC-контуров селекторов ограничивает напряжение в контуре, а следовательно, и мощность сигнала на выходе приемопередатчика из-за нелинейных эффектов, обусловленных использованием диодов при больших напряжениях, которые достигают 70-80 В при выходном напряжении около 3 В.

Поэтому в настоящее время очень важно для повышения уровня отношения сигнал/шум в режиме передачи при ресурсе перестроек по частоте 10⁸-10⁹ увеличить напряжение возбуждения на входе усилителя мощности и использовать в качестве усилителей мощности элементы с низким уровнем шума.

Таким образом, оптимизация основных характеристик трансивера в режиме как передачи, так и приема во многом определяется построением его преселектора. В режиме приема при использовании перестраиваемого преселектора снижается шумовой порог тракта и, значит, повышается помехозащищенность приемника.

В структуре приемопередатчика реализовано два приемных тракта, обеспечивающих возможность работы в дуплексном режиме. Один из трактов R_x/T_x является двунаправленным - работает на прием и на передачу. Оба тракта содержат в КВ диапазоне двухконтурные электронно-перестраиваемые фильтры, обеспечивающие выполнение требований по блокированию в режиме приема и требуемый уровень отношения сигнал/шум излучаемого сигнала.

Перестройка фильтров по частоте осуществляется при помощи дискретного конденсатора переменной емкости. В качестве переключающих элементов используются высокочастотные реле. Вносимые реле потери имеют малую величину, за счет чего обеспечивается ресурс по количеству переключений в заданных режимах с ППРЧ.

В режиме приема дальнейшая обработка сигнала в обоих трактах осуществляется прямым аналого-цифровым преобразователем, в качестве которого используется АЦП LTC2208 (Linear Technology), имеющий следующие основные параметры:

- разрядность - 16 бит;

- максимальную частоту дискретизации - 130 МГц;

- дифференциальное входное напряжение - 2,25 В от пика до пика (в используемой схеме включения);

- отношение сигнал/шум SNR (на частоте сигнала 30 МГц) - 77,3 дБ на полной шкале (типовое значение);

- односигнальный и двухсигнальный динамические диапазоны - 94 дБ (на частоте сигнала 30 МГц, типовое значение).

На частоте дискретизации ƒ_д приведенный ко входу блока уровень собственных шумов АЦП составляет

где ƒ_ш - эффективная шумовая полоса частот основного канала приема.

При ƒ_д=129,6 МГц, SNR=76,1 дБ и ƒ_ш=4,0 кГц (эффективная шумовая полоса при номинальной полосе пропускания канала приема 3,1 кГц) имеем типовое напряжение шума АЦП, приведенное ко входу модуля, равное 0,45 мкВ, и исходя из этого значения, определяем допустимый коэффициент усиления тракта приема и значение чувствительности.

Но при использовании значения тактовой частоты 129,6 МГц в диапазоне входных частот до 80 МГц на второй субгармонике частоты дискретизации ƒ_д/2=64,8 МГц появляется зона пониженной избирательности.

Для устранения такого фактора в диапазоне частот настройки 60-80 МГц частота дискретизации изменена на частоту 103,68 МГц.

Дальнейшая цифровая обработка сигналов производится в программируемой логической интегральной схеме FPGA семейства Xilinx, в которой реализуется программный цифровой понижающий преобразователь DDC и осуществляется перенесение сигнала на нулевую частоту с одновременным преобразованием в комплексный вид (разложение на синфазную и квадратурную составляющие). Полученный сигнал в комплексном виде подается на каскад цифровой фильтрации.

После каскада цифровой фильтрации полученные квадратурные составляющие в модуле демодулятора и модулятора по высокоскоростному последовательному интерфейсу S-Port передаются в модуль модулятора и демодулятора, который выполняет следующие функции:

- демодуляцию принимаемых сигналов по двум каналам приема;

- декодирование тонального вызова абонента;

- формирование выходного аналогового сигнала для усилителя мощности, поступающего от блока управления, гарнитуры СКЗИ;

- обеспечение режима тонального вызова;

- обеспечение работы в режимах: J3E (полоса 3100 Гц), J7B (полоса 2350 Гц), F1B, G1B, A1A, F3E;

- регулировку выходного сигнала усилителя мощности;

- автоматическую и ручную регулировку усиления в полосе основного канала приема в диапазоне 120 дБ, включающем диапазон изменения усиления по высокой частоте 30 дБ (с помощью аттенюаторов в блоке преселекторов);

- вывод цифровых отсчетов квадратурных составляющих принимаемых сигналов в виде 32-разрядных отсчетов с частотой дискретизации 48 кГц в полосе 20 кГц;

- вывод цифровых отсчетов демодулированного сигнала в режимах работ J3E, F1B, А1А, J7B, F3E. Частота дискретизации выходных отчетов составляет 48 кГц.

В качестве процессора цифровой обработки сигналов используется сигнальный процессор Analog Devices ADSP-21489. Данный процессор имеет развитую периферию, высокую скорость работы - до 450 МГц, программно-конфигурируемое назначение входов-выходов, что делает его очень гибким при решении различных задач.

В трактах приема модуля демодулятора обеспечивается автоматическое управление текущим ослаблением аттенюаторов в преселекторах по уровню сигнала, поступающего на вход блока. Одна из задач такого управления заключается в том, чтобы не допустить перегрузки АЦП на пиках амплитуды его входного сигнала и в то же время поддерживать значение этого сигнала достаточно большим для того, чтобы возможно полнее использовать динамический диапазон АЦП. Вторая задача управления - повышать динамический диапазон изделия за счет его чувствительности в соответствии с ростом уровня группового сигнала в полосе преселектора, что косвенно свидетельствует о загруженности этой полосы помехами.

При управлении аттенюаторами устанавливается наименьшее ослабление, при котором обеспечивается в данный момент выполнение обеих задач.

Контроль выходного уровня усилителя мощности производится по уровням сигналов падающей и отраженной волн.

Во вспомогательных режимах работы модуль выполняет самопроверку своей исправности, измеряет превышение уровня отношения сигнал/шум при включении генератора шума (контрольного сигнала) в преселекторе во время самопроверки исправности изделия, в режиме сверки частоты опорного генератора выделяет сигнал биений и передает его для индикации на переднюю панель изделия.

Модуль ГЛОНАСС/GPS обеспечивает следующие функциональные возможности:

- установку единого времени в ручном режиме оператором либо в автоматическом режиме от встроенного приемника ГЛОНАСС/GPS;

- определение с помощью системы ГЛОНАСС/GPS координат и точного времени, автоматический ввод координат в режиме цифрового избирательного вызова и донесение об аварии «Бедствие», передаваемое в структуре сигнала по радиолинии «Сплав», с помощью встроенного в приемопередатчик модуля ГЛОНАСС/GPS.

Работа в режиме с ППРЧ требует наличия в составе системы часов реального времени. Точность работы этой системы зависит от скорости передачи информации, используемого вида модуляции. Часы реального времени должны:

- выдавать сигналы прерываний для обеспечения заданной скорости передачи 1200, 600, 300, 100 и 10 бит/с (при наличии исправляющего кодирования эти величины могут быть изменены);

- гарантировать привязку сигналов прерываний к шкале единого времени с точностью не хуже 100 мкс;

- нумеровать каждое прерывание относительно некоторого момента времени, принятого за отсчетное;

- поддерживать необходимую точность в автономном режиме при потере связи с эталонными часами.

Известно, что в показания системы GPS могут намеренно вноситься ошибки. Поэтому приемники должны иметь возможность независимой работы в системе как ГЛОНАСС, так и GPS. Приемниками ГЛОНАСС/GPS являются: NV08C-CSM КБ «Навис», модуль GL8088s КОМПЭЛ, модуль ЕВ-600 TRANSYSTEM.INC (Taiwan), модуль В1919 от BUFFALO.

Единственным приемником, способным работать в совмещенном режиме ГЛОНАСС/GPS, является модуль ГеоС-3М ООО КБ «ГеоСтар навигация», именно он и используется в радиостанции.

Мощность радиосигнала любого навигационного космического аппарата в точке приема на изотропную антенну составляет от минус 126 дБм до минус 131 дБм. Точность навигационного решения для модуля ГеоС-3М обеспечивается при уровне сигнала минус 130 дБм. В качестве антенны для приема спутникового сигнала используется активная автомобильная антенна ГЛОНАСС/GPS диапазона, серийно изготавливаемая ОАО «РИВР». Указанная антенна имеет усиление 15 дБ. В качестве радиочастотного кабеля предлагается использовать кабель типа RG142, имеющий погонные потери на частотах ГЛОНАСС/GPS менее 0,9 дБ/м. Определим максимально допустимую длину кабеля для выбранной антенны:

.

Длины кабеля в 15 м достаточно для использования его в составе радиостанции мобильного и стационарного исполнения.

Модуль управления обеспечивает:

- управление составными частями радиостанции;

- выполнение поступающих от передней панели команд;

- работу радиоприемного устройства в технологических режимах самоконтроля и сверку частоты опорного генератора;

- энергонезависимое хранение сведений о текущем состоянии настройки каналов приема изделия и количестве (до 2000) записываемых наборов параметров настройки.

Выполнение всех необходимых требований обеспечивается микроконтроллером STM32F103VE, используемым в панели управления - терминале ведения связи.

Терминал ведения радиосвязи предоставляет оператору интерфейс управления изделием и предназначен для выполнения следующих функций:

- отображения, ввода и изменения режимов и параметров работы;

- отображения, ввода и изменения текста передаваемых сообщений;

- звукового оповещения о начале радиосвязи и аварийных событиях;

- работы в режиме датчика кода Морзе для замены телеграфного ключа;

- обеспечения интерфейсов для подключения оборудования -микротелефонной гарнитуры к СКЗИ, носителя типа Flash, интерфейса для печатающего устройства, а также интерфейса для дистанционного управления от ПЭВМ.

Интерфейс оператора состоит из цифробуквенной клавиатуры, клавиш навигации в меню и клавиш оперативного выбора параметров, ручки квазиплавной настройки и графического дисплея.

Прием и передача речевой информации реализуется с помощью микротелефонной гарнитуры. Звуковое оповещение оператора выполняется с помощью встроенного в терминал пьезозвонка.

Терминал может быть вынесен от изделия на расстояние до 5 м для дистанционной работы с изделием без использования ПЭВМ.

Технические решения, реализованные в радиостанции, показывают, что радиостанция обладает большими функциональными возможностями и при этом имеет минимальные массогабаритные характеристики при компактном исполнении, в отличие от работающих в настоящее время радиостанций аналогичного звена, и обеспечивает повышение качества связи. Основными достоинствами радиостанции являются:

- высокая избирательность трактов приема-передачи, обеспечивающая возможность дуплексного приема;

- наличие, кроме канала приема-передачи, еще дежурного канала, постоянно работающего на прием и обеспечивающего возможность реализации разнесенного приема для повышения надежности связи;

- реализация процедур автоматического вхождения в связь и ведения ее;

- возможность работы в частотно-адаптивных режимах;

- обеспечение работы в высокоскоростных помехозащищенных каналах связи в режиме с ППРЧ.

Кроме того, радиостанция может работать в широком диапазоне рабочих частот - до 80 МГц. Активное внедрение технологии программируемого радио и искусственного интеллекта позволяет с помощью программного обеспечения варьировать методы демодуляции, режимы работы, интегрировать в аппаратные средства различные национальные стандарты.

Литература

1. Банников И.М., Валеев М.М., Хазан Г.К. Новое поколение цифровых приемников КВ диапазона для современных комплексов радиоприема и радиомониторинга. Доклад на 13-й Международной конференции «Радиолокация, навигация и связь», - Воронеж, 2007.

2. http://www.rirt.ru/files/service_files/Antennas_(E_R).pdf

Claims

KB - УКВ радиостанция, содержащая модуль приемопередатчика, модуль набора антенных устройств и модуль антенно-согласующего устройства, при этом приемопередатчик своим входом соединен через антенно-согласующее устройство с набором антенных устройств, а выходом – с внешней ЭВМ, при этом набор антенных устройств содержит антенны УКВ диапазона, KB диапазона и антенну спутниковой навигации, приемопередатчик выполнен в корпусе 3U и содержит память, блок усиления мощности, блок питания и приемовозбудитель, который состоит из двух линейных трактов, модуля терминала ведения связи, блока управления и цифровой обработки сигналов, который, в свою очередь, состоит из модуля управления, управляющего радиостанцией, модуля ГЛОНАСС/GPS, устанавливающего реальное время с помощью системы синхронизации, модулей аналогово-цифрового преобразователя и цифроаналогового преобразователя, осуществляющих соответственно аналого-цифровое и цифроаналоговое преобразование принимаемого и передаваемого сигналов, модулей модулятора и демодулятора, осуществляющих модуляцию и демодуляцию передаваемого и принимаемого сигнала соответственно, причем терминал ведения связи соединен с принтером и Flash-носителем и предоставляет оператору интерфейс для подключения микротелефонной гарнитуры, Flash-носителя, принтера, внешней ЭВМ, при этом антенна УКВ диапазона выполнена широкополосной с круговой диаграммой направленности, приемопередатчик обеспечивает прием и передачу пакетных сообщений в двухстороннем режиме без псевдослучайной перестройки рабочей частоты с использованием процедуры автоматического установления связи с частотной адаптацией к условиям распространения радиоволн и помеховой обстановке в канале связи на основе выбора из предварительно введенных в память приемопередатчика рабочих и вызывных частот, а терминал выполнен с возможностью вынесения от радиостанции на расстояние до 5 м для дистанционной работы с радиостанцией.