Схема радиостанции супергетеродинного приемника

Полезная модель предназначена для использования в качестве устройства для передачи и приема голосовой и телеметрической информации по радиоканалу. Радиостанция содержит антенну, приемник, выполненный по схеме с двумя преобразованиями частоты, усилитель мощности, синтезатор частот на основе микросхемы цифрового программируемого синтезатора частот ФАПЧ, синтезатор прямого синтеза с блоком фильтров, модулятор-демодулятор сигналов с четырехуровневой FSK, блок обработки и блок управления. Положительный эффект повышение увеличения видов формируемых и обрабатываемых видов модуляции, повышения стабильности спектральных характеристик формируемых колебаний, а также расширение области применимости радиостанции достигается за счет введения в структуру радиостанции синтезатора прямого синтеза DDS. С помощью синтезатора DDS формируются высокочастотные сигналы с традиционными аналоговыми видами модуляции - однополосной и амплитудной модуляций, используемыми для организации радиосвязи в сухопутной подвижной службе связи и в радиостанциях речного и морского ведомств. Дополнительный положительный эффект - синтезатор DDS способен формировать модулированное колебание сразу на рабочей частоте в диапазоне СВ/ПВ/КВ/УКВ диапазонах. Тем самым исключаются дополнительные преобразования частоты и источники колебаний для них. Расширение области применения радиостанции также обеспечивается за счет возможности реализации спектрально и энергетически эффективного цифрового канала связи с 4FSK модуляцией, используемой в современном стандарте связи DPMR. 1 ил.

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована для оперативной связи в качестве устройства для передачи и приема голосовой и телеметрической информации по радиоканалу.

Широко распространенны радиостанции, в которых используются аналоговые принципы формирования модулированных высокочастотных сигналов на передачу и обработки на прием.

Недостатки радиостанций, в которых реализуются аналоговые способы формирования и обработки сигналов связаны с ограничением при переходе на работу с современными эффективными видами модуляции, формируемых цифровым образом - GMSK, 4FSK, QAM, QPSK, преимущественно применяемыми в верхней части КВ и УКВ диапазонах. Недостатком данного класса радиостанций является также отсутствие возможности гибкой и быстрой смены комплекса рабочих параметров радиостанции при сохранении минимальных массогабаритных параметров и энергопотребления радиостанции и возможности работы с традиционными видами модуляции, такими, как однополосная и амплитудная, применяемыми в СВ/ПВ/КВ диапазонах.

Введение в радиостанцию цифровой обработки и современной элементной базы позволяет обеспечить новые положительные пользовательские качества радиостанции.

Известны радиостанции [Патент на полезную модель RU 85774 U1. Коротковолновая радиостанция с цифровой обработкой сигнала. / Болдырев Г.И., Борзаков Е.Г, Герасимов А.В., Жихарев Ю.Н., Садретдинов В.Ш. - Опубл. 10.08.2009; патент на полезную модель КИ 96302 U1. Коротковолновая радиостанция. / Болдырев Г.И., Борзаков Е.Г, Герасимов А.В., Жихарев Ю.Н., Садретдинов В.Ш. - Опубл. 10.07.2010], в которых используется микроэлектронная вычислительная машина (МЭВМ) для цифровой обработки однополосного (ОБП) сигнала.

Недостатком данных радиостанций является нестабильность спектральных характеристик сформированного высокочастотного модулированного колебания в диапазоне температур - частот среза, подавление несущей и нерабочей боковой полосы, что связано с тем, что формирование высокочастотного модулированного сигнала с однополосной модуляцией осуществляется фазово-фильтровым методом на второй высокой промежуточной частоте (ПЧ), что требует избыточное количество аналоговых фильтрующих элементов, преобразований частоты и синтезаторов частот для преобразования со второй на первую ПЧ и далее на частоту рабочего диапазона, высокочастотных аналого-цифровых и цифровых аналоговых преобразователей для осуществления формирования при передаче и оцифровки сигнала при приеме. Следствием избыточности структуры является также высокое энергопотребление, что ограничивает использование радиостанций в мобильном (портативном) исполнении.

Известна радиостанция [Патент на полезную модель RU 118497 U1. Портативная радиостанция. / Клячко Л.М., Свирский В.М. - Опубл. 20.07.2012], содержащая минимально возможное количество аналоговых узлов, в которой формирование высокочастотного модулированного сигнала на передачу и его обработка на прием реализована полностью цифровым способом.

Недостатком радиостанции является отсутствие фильтров на выходе формирователя сигнала на передачу на рабочей частоте на выходе цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), так как все возможные паразитные спектральные составляющие в спектре выходного сигнала ЦАП вместе с полезным высокочастотным модулированным сигналом после усилителя мощности поступают на антенну, что приводит к нелинейным искажениям выходного сигнала, то есть к ухудшению спектрального состава выходного усиленного сигнала и созданию помех для соседних каналов приема. Другим недостатком является ограничение применимости радиостанции в портативном исполнении на высоких частотах, в верхней части КВ и УКВ диапазонах, из-за высокого энергопотребления цифровыми компонентами -аналого-цифровым преобразователем (АЦП), ЦАП, сигнальным процессором (DSP). Еще одним недостатком радиостанции [Патент на полезную модель RU 118497 U1. Портативная радиостанция. / Клячко Л.М., Свирский В.М. - Опубл. 20.07.2012] является очень высокие требования к избирательным свойствам блока селекции, так как в структуре данной радиостанции только блоком селекции определяется избирательность по побочным каналам приема.

Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является радиостанция [Патент на полезную модель RU 105099 U1. Радиостанция. / Завьялов С.А., Ляшук А.Н. - Опубл. 27.05.2011], содержащая антенну, приемник, выполненный по супергетеродинной схеме с двумя преобразованиями, состоящий из последовательно соединенных антенного коммутатора, преселектора, смесителя, усилителя первой ПЧ, микросхемы приемника, демодулятора четырехуровневой FSK, выход которого подключен к первому входу блока обработки, ко второму входу которого подключен микрофон, при этом первый выход блока обработки соединен через усилитель низких частот (УНЧ) с громкоговорителем, а второй выход блока обработки - с входом модулятора четырехуровневой FSK, первый выход которого подключен к входу опорного генератора (ОГ), а второй выход - к второму входу генератора, управляемого напряжением (ГУН), при этом первый вход ГУН соединен с выходом синтезатора, а первый выход ГУН подключен ко входу усилителя мощности (УМ), чей выход подсоединен к антенному коммутатору, при этом второй выход ГУН - к смесителю, а третий выход ГУН - к первому входу синтезатора, к второму входу которого подключен выход ОГ, при этом первый, второй, третий и четвертый вход-выходы блока управления, имеющего выходной разъем для связи с ЭВМ, подключены соответственно к входу-выходу синтезатора, демодулятора, блока обработки и модулятора Недостатком радиостанции является несовместимость с традиционными аналоговыми линейными видами модуляции, такими, как амплитудная и однополосная модуляция.

Техническим результатом полезной модели является увеличения видов формируемых и обрабатываемых видов модуляции, повышение стабильности спектральных характеристик формируемых колебаний, а также расширение области ее применимости.

Указанный технический результат достигается тем, что в радиостанцию, содержащую антенну, приемник, выполненный по супергетеродинной схеме с двумя преобразованиями, состоящий из последовательно соединенных антенного коммутатора, преселектора, смесителя, усилителя первой ПЧ, микросхемы приемника, демодулятора четырехуровневой Р8К, выход которого подключен к первому входу блока обработки, ко второму входу которого подключен микрофон, при этом первый выход блока обработки соединен через УНЧ с громкоговорителем, а второй выход блока обработки - с входом модулятора четырехуровневой FSK, первый выход которого подключен к входу ОГ, а второй выход - к первый входу ГУН, при этом второй вход ГУН соединен с выходом синтезатора, первый выход ГУН - к смесителю, а второй выход ГУН - к первому входу синтезатора, к второму входу которого подключен выход ОГ, при этом первый, второй, третий и четвертый вход-выходы блока управления, имеющего выходной разъем для связи с ЭВМ, подключены соответственно к входу-выходу синтезатора, демодулятора, блока обработки и модулятора, согласно заявляемому техническому решению, введены последовательно соединенные синтезатор прямого синтеза (СПС) и блок фильтров так, что первый вход СПС соединен с третьим выходом ГУН, а второй вход СПС соединен с пятым вход-выходом блока управления, при этом выход блока фильтров соединен со входом УМ, а также введен второй выход микросхемы приемника, соединенный с третьим входом блока обработки.

Сущность полезной модели поясняется чертежом (фиг. 1.), на котором приведена структурная схема предлагаемой радиостанции, поясняющая принцип ее работы.

Радиостанция содержит антенну 1, приемник, выполненный по супергетеродинной схеме с двумя преобразованиями, состоящий из последовательно соединенных антенного коммутатора 2, преселектора 3, смесителя 4, усилителя первой ГГЧ 5, 21 микросхемы приемника 6, первый и второй выходы которой подсоединены соответственно к первому входу блока обработки 7 и входу демодулятора четырехуровневой FSK 8, выход которого подключен к второму входу блока обработки 7, ко третьему входу которого подключен микрофон 9, при этом первый выход блока обработки 7 соединен через УНЧ 10 с громкоговорителем 11, а второй выход блока обработки 7 - с входом модулятора четырехуровневой FSK 12, первый выход которого подключен к входу ОГ 13, а второй выход - к первому входу ГУН 14, при этом второй вход ГУН 14 соединен с выходом синтезатора 15, а первый, второй и третий выходы ГУН 14 подключены соответственно к смесителю 4, к первому входу синтезатору 15 и к последовательно соединенным синтезатору прямого синтеза (СПС) 16 и блока фильтров 17 так, что первый вход СПС 16 соединен с третим выходом ГУН 14, а первый вход-выход СПС 16 соединен с пятым вход-выходом блока управления 18, при этом выход блока фильтров 17 соединен со входом УМ 19, чей выход подсоединен к антенному коммутатору 2, при этом первый, второй, третий и четвертый вход-выходы блока управления 18, имеющего выходной разъем 20 для связи с ЭВМ, подключены соответственно к входу-выходу синтезатора демодулятора 8, блока обработки 7 и модулятора 12.

Радиостанция работает следующим образом. В режиме приема радиочастотный сигнал с антенны 1 через антенный коммутатор 2 поступает на преселектор 3, который осуществляет предварительную фильтрацию и усиление радиочастотных сигналов, поступающих с антенны 1. Фильтрация в преселекторе может быть выполнена, например, фильтрами на LC элементах или с использованием структур на поверхностно-акустических волнах, а усиление радиочастотных сигналов - распространенными однокаскадными высокочастотными (ВЧ) схемами усиления, например, каскадом на биполярном транзисторе по схеме общий эмиттер. Далее сигнал поступает на смеситель 4, который может быть выполнен, по двойной балансной схеме на диодах Шоттки, где посредством ВЧ сигнала синтезатора частот, состоящего из ГУН 14, микросхемы синтезатора 15 и ОГ 13, и переносится на первую промежуточную частоту (ПЧ). Синтезатор 15 представляет собой типичную микросхему цифрового программируемого синтезатора частот на основе импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), например, цифровой синтезатор ADF4216 компании Analog Devices. ОГ 13 определяет температурную стабильность ВЧ сигнала, подаваемого на смеситель и УМ и представляет собой термокомпенсированный кварцевый генератор, например, серии TS307 компании Jauch. В УПЧ 5 происходит фильтрация радиочастотного спектра сигнала, например, с помощью кварцевых или керамических фильтров ПЧ компании Мигала, и дальнейшее усиление, после чего сигнал поступает на вход микросхемы приемника 6, представляющей собой типичную микросхему АМ/ЧМ приемника, например, TEA5710 компании Philips. Микросхема приемника 6 выполняет функции большей части аналоговой обработки, а именно функции преобразования сигнала с 1-й ПЧ на 2-ю низкочастотную ПЧ, узкополосной фильтрации, амплитудного ограничения (для ЧМ части микросхемы приемника) или стабилизации уровня сигнала с помощью встроенной системы автоматического регулирования уровня сигнала (АРУ) (для АМ части микросхемы приемника), усиления сигнала 2-й ПЧ с последующим его детектированием частотным детектором (для ЧМ), амплитудным детектором (для АМ) или формированием обработанного системой АРУ сигнала на низкой ПЧ (для однополосного сигнала) для блока обработки 7. С выхода микросхемы приемника 6 (после ЧМ детектора) сигнал подается на 4FSK демодулятор 8, который выполняет демодуляцию низкочастотного аналогового сигнала и формирует на выходе битовый поток принятых данных со скоростью, необходимой для выполнения процедур цифровой обработки блоком 8. Демодулятор 8 и блок обработки 7 могут быть выполнены как на специализированных микросхемах, реализующих функции демодуляции сигналов с 4FSK модуляцией и функции цифровой обработки, так и на цифровых сигнальных процессорах (ЦСП) или ПЛИС общего назначения. Блок обработки 7 в режиме приема выполняет такие функции, как депакетирование, дешифрация, декодирование сигнала. При работе в режиме приема речевых сигналов блок обработки 7 выдает восстановленный речевой сигнал через усилитель низких частот 10 на громкоговоритель 11, при работе в режиме обмена данными (телеметрической информацией) блок обработки 7 выдает принятые данные в блок управления 18 с возможностью последующей их трансляции на выходной разъем 20 линии связи с внешней ЭВМ.

В режиме передачи речи низкочастотный сигнал с микрофона 9 поступает на блок обработки 7, который в режиме передачи выполняет преобразование речевого сигнала в битовую (цифровую) последовательность, его кодирование и сжатие. На блок 7 с блока управления 18 при работе в режиме обмена данными поступает телеметрическая информация, которая также подвергается процедуре помехоустойчивого кодирования. Блок обработки 7 выполняет функции обработки речевого сигнала с микрофона 9 (усиления, сжатия динамического диапазона, оцифровку), шифрации, пакетирования информационной последовательности (телеметрической или речевой) и с необходимой для качественной передачи речевого сигнала в цифровом канале связи скоростью направляет битовый поток на 4FSK модулятор 12 или блок управления 18. В 4FSK модуляторе из битовой последовательности формируются дебиты (символы). Способ реализации модулятора 12 и демодулятора 7 возможен как с применением специализированных микросхем с функцией модуляции сигналов 4FSK, или ЦСП, или ПЛИС общего назначения. В соответствии с типом символа (дебита 00, 01, 10 или 11) в модуляторе 12 формируется постоянное напряжение на время, равное длительности символа, после чего уже сформированный 4FSK сигнал пропускается через фильтр с импульсной характеристикой типа «приподнятый косинус». Далее сглаженный аналоговый сигнал (битовая последовательность с постоянной составляющей, ограниченная по полосе частот «сверху») поступает на модуляционный вход опорного генератора 13 и второй (модуляционный) вход ГУН 14, реализуя, таким образом, так называемую «двухточечную» модуляцию (аналоговую ЧМ модуляцию, при которой диапазон модулирующих частот расширен «вниз» вплоть до постоянной составляющей). Амплитуды аналоговых сигналов на выходах модулятора 12, с целью обеспечения минимального разброса индекса модуляции в широком диапазоне частот и формирования требуемого значения ширины излучаемого радиочастотного спектра в используемой сетке частот, устанавливаются в соответствии со значениями крутизны модуляционных характеристик ОГ 13 и ГУН 14. В режиме передачи ВЧ сигнал с синтезатора частот в составе ГУН 14, микросхемы синтезатора 15 и опорного генератора 13 выполняет функцию опорного (тактового) генератора для синтезатора прямого синтеза 16 (СПС). При передачи сигнала с эффективной цифровой 4FSK модуляцией СПС работает в тональном режиме, а при передаче АМ или ОБП сигналов СПС за счет возможности обеспечить разрешение по частоте менее 1 герца и большой скорости переключения коэффициентов деления сам формирует модулированной колебание на рабочей частоте на основе сигналов управления с блока управления 18. Далее выходной сигнал СПС 16 на рабочей частоте поступает на блок фильтров 17 для увеличения спектральной чистоты выходного сигнала и через УМ 19 и антенный коммутатор 2 на антенну 1. СПС 16 может быть выполнен на микросхеме синтезатора прямого синтеза DDS, например, AD9952 или AD9910 компании Analog Devices; блок фильтров - на LC элементах или с использованием структур на поверхностно-акустических волнах. Блок управления 18 также осуществляет оперативное по соответствующему вход-выходу управление демодулятором 8, модулятором 12, блоком обработки 7 и синтезатора 15. Блок управления 18 может быть выполнен на микроконтроллере общего назначения, например, ATMEGA16 компании Atmel или современном с малым энергопотреблением с DSP ядром контроллере семейства Cortex, например, STM32F4.

Положительный эффект повышение увеличения видов формируемых и обрабатываемых видов модуляции, повышения стабильности спектральных характеристик формируемых колебаний, а также расширение области применимости радиостанции достигается за счет введения в структуру радиостанции синтезатора прямого синтеза DDS для формирования высокочастотных сигналов с традиционными аналоговыми видами модуляции, такими, как однополосная модуляция и телеграф, используемыми для организации радиосвязи в сухопутной подвижной службе связи и в радиостанциях речного и морского ведомств. Дополнительный положительный эффект - синтезатор DDS способен формировать модулированное колебание сразу на рабочей частоте в диапазоне СВ/ПВ/КВ/УКВ диапазонах, исключая дополнительные преобразования частоты и источники колебаний для них. Расширение области применения радиостанции также обеспечивается за счет возможности реализации спектрально и энергетически эффективного цифрового канала связи с 4FSK модуляцией, используемой в современном стандарте связи DPMR.

Радиостанция была реализована в соответствии со структурой на фиг. 1. Для реализации цифровой обработки низкочастотных сигналов (канального кодирования-декодирования, модуляции-демодуляции сигналов 4FSK, пакетирования-депакетирования) были использованы цифровые низкочастотные процессоры СМХ7141 и вокодеры СМХ618; блок управления и блок обработки были реализованы на одном контроллере Cortex M4 STM32F405VG. В качестве микросхемы приемника АМ/ЧМ сигналов была использована микросхема TEA5710. Синтезатор прямого синтеза был выполнен на микросхеме DDS AD9910; в качестве опорного сигнала в режиме передачи для микросхемы DDS служил сигнал ГУН с частотой 46,875 МГЦ, он же был сигналом для смесителя в режиме приема для обеспечения значения промежуточной частоты 45 МГц и рабочей частоты на прием 1,875 МГц (ПВ диапазон). Для формирования однополосного и телеграфного сигнала на передачу и обработки на прием было разработано программно обеспечение для DSP ядра STM32F405VG. Формирование высокочастотного колебания с однополосной модуляцией и в режиме телеграфной связи на рабочей частоте 1,875 МГц было выполнено посредством управления коэффициентом деления и амплитудным коэффициентом AD9910; при формировании сигнала с 4FSK модуляцией микросхема DDS AD9910 работала в тональном режиме.

Радиостанция, содержащая антенну, приемник, выполненный по супергетеродинной схеме с двумя преобразованиями, состоящий из последовательно соединенных антенного коммутатора, преселектора, смесителя, усилителя первой промежуточной частоты, микросхемы приемника, демодулятора четырехуровневой FSK, выход которого подключен к первому входу блока обработки, ко второму входу которого подключен микрофон, при этом первый выход блока обработки соединен через УНЧ с громкоговорителем, а второй выход блока обработки - с входом модулятора четырехуровневой FSK, первый выход которого подключен к входу опорного генератора (ОГ), а второй выход - к первый входу ГУН, при этом второй вход ГУН соединен с выходом синтезатора, первый выход ГУН - со смесителем, а второй выход ГУН - с первым входом синтезатора, к второму входу которого подключен выход ОГ, при этом первый, второй, третий и четвертый входы-выходы блока управления, имеющего выходной разъем для связи с ЭВМ, подключены соответственно к входам-выходам синтезатора, демодулятора, блока обработки и модулятора, отличающаяся тем, что в радиостанцию введены последовательно соединенные синтезатор прямого синтеза (СПС) и блок фильтров так, что первый вход СПС соединен с третьим выходом ГУН, а второй вход СПС соединен с пятым входом-выходом блока управления, при этом выход блока фильтров соединен со входом усилителя мощности, а также введен второй выход микросхемы приемника, соединенный с третьим входом блока обработки.