Радиостанция

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, модулятор-демодулятор сигналов с четырехуровневой FSK, блок обработки и блок управления. Положительный эффект повышения спектральной эффективности и повышения функциональности системы радиосвязи и качества передачи речи на краях зон покрытия радиостанции достигается использованием комбинации свойств: использованного вида модуляции - четырехуровневой FSK, которая позволяет кодировать два бита на один символ, тем самым уменьшая в два раза скорость информационной модулирующей последовательности и обеспечивая более эффективное использование частотного ресурса, свойствами цифрового канала связи, который менее подвержен искажениям и интерференции, чем аналоговый, и тем свойством, что модуляция 4FSK относится к классу модуляций с постоянной огибающей, что позволяет использовать УМ, работающим в режиме с повышенным КПД (например, в режиме В). Функциональность радиостанции обеспечена возможностью связи с внешней ЭВМ или другими интерфейсными устройствами, позволяющими радиостанции работать как автономно, так и в качестве промежуточных и оконечных звеньев в составе сетевых систем связи, а также возможностью изменения набора функций и характеристик радиостанции программным образом. 1 п.ф., 2 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 и обработки сигналов. Аналоговые радиостанции при своей относительно простой реализации позволяют обеспечить достаточно высокие тактико-технические характеристики радиоканала при хорошем качестве принимаемого сигнала. При этом одним из главных недостатков данного класса радиостанций является не эффективное использование радиочастотного спектра. Типичная ширина радиочастотного спектра передаваемого сигнала у распространенных УКВ ЧМ радиостанций составляет (12,525) КГц, что фактически в современных условиях ограничивает количество пользователей выделенного частотного ресурса. Также эксплуатации подобных радиостанций свойственны пользовательские неудобства, такие как, например, доступность передаваемой речевой информации, вследствие недостаточного уровня закрытия передаваемой информации при использовании аналоговых видов модуляции.

Введение в радиостанцию цифровой обработки, алгоритмов кодирования-декодирования речевого сигнала позволяет обеспечить новые положительные пользовательские качества радиостанции.

Известны радиостанции, [Патент на полезную модель 62315 U1. Радиостанция. / Лукин И.И., Володин В.Т., Маркин А.В., Мистюков Г.Н., - Опубл. 27.03.2007; патент на полезную модель - 48133 U1. Радиостанция. / Гармонов А.В., Нестеров Л.Ю., Мистюков Г.Н., Дружинин А.В., Найденов Е.А., Глущенко А.В., Дьюков С.Ю. - Опубл. 10.09.2005] в которых используется цифровая обработка сигналов для решения задач по повышению надежности связи и разборчивости передаваемого речевого сообщения, для обеспечения более высокой конфиденциальности переговоров и секретности передаваемой информации. Однако возникающая избыточность кода при преобразовании низкочастотных сигналов в цифровой вид с последующим их кодированием заставляет повышать битовую скорость передачи в канале связи, что приводит к расширению ширины спектра, увеличению внеполосных излучений, то есть ухудшению спектральной эффективности радиостанции.

Известна радиостанция [Свидетельство на полезную модель 20177 U1. Телеметрическая радиостанция с встроенным модемом. / Дашкевич В.А., Кудряшов А.И., Михайлова Н.Е., Аксенова Л.К., Чистякова В.Г., Попов А.Н. - Опубл. 20.10.2001] для передачи телеметрической информации, имеющая в своем составе модем, который служит средством для преобразования потока данных из одного формата в другой, а также осуществляет функцию связи с внешними устройствами. Недостатком подобных радиостанций является узкий спектр их применения - передача телеметрической информации осуществляется с невысокой информационной скоростью, при этом при передаче голосовой информации с помощью дополнительного входа для речевого сигнала [Свидетельство на полезную модель 23221 U1. Телеметрическая связная радиостанция для транспортного средства. / Аксенова Л.К., Чистякова В.Г., Дашкевич В.А., Михайлова Н.Е., Кудряшов А.И., Карушев И.П. - Опубл. 27.05.2002] должен быть использован аналоговый метод модуляции, требующий широкой полосы излучаемого спектра частот, так как свойства телеметрического (цифрового) канала не позволяют передавать оцифрованную речевую информацию в режиме реального времени.

Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является радиостанция [Свидетельство на полезную модель 18123 U1. Радиостанция. / Сигова Т.А., Мартынов А.В., Комелькова Н.В. - Опубл. 20.05.2001], содержащая антенну, приемник, выполненный по супергетеродинной схеме с двумя преобразованиями, состоящий из последовательно соединенных антенного коммутатора, преселектора, смесителя, усилителя промежуточной частоты (ПЧ), микросхемы приемника, выход которой через усилитель низких частот (УНЧ) подключен к громкоговорителю, а также синтезатор, генератор, управляемый напряжением (ГУН), первый выход которого через усилитель мощности (УМ) подключен к антенному коммутатору, второй выход - к смесителю, а третий выход - к первому входу синтезатора, опорный генератор (ОГ), выход которого подсоединен ко второму входу синтезатора, при этом первый вход ГУН соединен с выходом синтезатора, а ко второму входу ГУН через микрофонный усилитель подсоединен микрофон.

Достоинством радиостанции является простота структуры, с помощью которой реализуется речевой канал связи. При этом недостатком является не эффективное использование частотного ресурса, вследствие использования аналоговой частотной модуляции, и невозможность получения современного набора функциональных свойств, таких как цифровое качество речи с возможностью ее шифрования (скремблирования), а также передачу телеметрической информации, например, с датчиков мониторинговых систем технологического оборудования или информацию о местоположении движущихся объектов.

Задачей создания полезной модели является повышение спектральной эффективности использования частотного ресурса, а также повышения функциональности систем радиосвязи и качества передачи речи на краях зон покрытия.

Поставленная задача 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, а также последовательно соединенный УНЧ и громкоговоритель, микрофон, синтезатор, ГУН, первый выход которого через усилитель мощности подключен к антенному коммутатору, второй его выход - к смесителю, а третий выход - к первому входу синтезатора, опорный генератор, выход которого подсоединен ко второму входу синтезатора, при этом первый вход ГУН соединен с выходом синтезатора, согласно заявляемому техническому решению введены демодулятор четырехуровневой FSK (Frequency-shift keying, частотная манипуляция) (4FSK демодулятор), вход которого подключен к выходу микросхемы приемника, блок обработки, первый выход которого подключен к УНЧ, причем к первому входу блока обработки подсоединен выход демодулятора, а ко второму входу блока обработки - микрофон, модулятор четырехуровневой FSK (4FSK модулятор), вход которого подключен к второму выходу блока обработки, при этом первый выход модулятора подключен ко входу опорного генератора, а второй выход - к второму входу ГУН, блок управления, имеющий выходной разъем для связи с ЭВМ, при этом первый, второй, третий и четвертый вход-выходы блока управления подключены соответственно к вход-выходу синтезатора, к вход-выходу демодулятора, к вход-выходу блока обработки и к вход-выходу модулятора.

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 ПЧ 5, микросхемы приемника 6, демодулятора четырехуровневой FSK 7. Выход демодулятора 7 подключен к первому входу блока обработки 8, ко второму входу которого подключен микрофон 9, при этом первый выход блока обработки соединен через УНЧ 10 с громкоговорителем, а второй выход блока обработки - с входом модулятора четырехуровневой FSK 12. Первый выход модулятора 12 подключен к входу опорного генератора 13, а второй выход - к второму входу ГУН 14, при этом первый вход ГУН 14 соединен с выходом синтезатора 15. Первый выход ГУН 14 через УМ 16 подключен к антенному коммутатору 2, при этом второй выход ГУН 14 - к смесителю 4, а третий выход ГУН 14 - к первому входу синтезатора 15, к второму входу которого подключен выход опорного генератора 13. При этом первый, второй, третий и четвертый вход-выходы блока управления 17, имеющего выходной разъем 18 для связи с ЭВМ, подключены соответственно к входу-выходу синтезатора 15, демодулятора 7, блока обработки 8 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 опорного генератора 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. Опорный генератор 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 Murata, и дальнейшее усиление, после чего сигнал поступает на вход микросхемы приемника 6, представляющей собой типичную микросхему УКВ ЧМ приемника, например, ТА31136 компании Toshiba. Микросхема приемника 6 выполняет функции преобразования сигнала с 1-й ПЧ на 2-ю ПЧ, узкополосной фильтрации, амплитудного ограничения, усиления сигнала 2-й ПЧ с последующим его детектированием частотным детектором. Далее сигнал подается на 4FSK демодулятор 7, 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 7 и блок обработки 8 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 8 в режиме приема выполняет такие функции, как депакетирование, дешифрация, декодирование сигнала. При работе в режиме приема речевых сигналов блок обработки 8 выдает восстановленный речевой сигнал через усилитель низких частот 10 на громкоговоритель 11, при работе в режиме обмена данными (телеметрической информацией) блок обработки 8 выдает принятые данные в блок управления 17 с возможностью последующей их трансляции на выходной разъем 18 линии связи с внешней ЭВМ.

В режиме передачи речи низкочастотный сигнал с микрофона 9 поступает на блок обработки 8, который в режиме передачи выполняет преобразование речевого сигнала в битовую (цифровую) последовательность, его кодирование и сжатие. На блок 8 с блока управления 17 при работе в режиме обмена данными поступает телеметрическая информация, которая также подвергается процедуре помехоустойчивого кодирования. Блок обработки 8 выполняет функции 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, где 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. Далее модулированный ВЧ сигнал с ГУН 14 усиливается УМ 16 и через антенный коммутатор 2 поступает на антенну 1. Блок управления 17 осуществляет оперативное по соответствующему вход-выходу управление демодулятором 7, модулятором 12, блоком обработки 8 и синтезатора 15. Блок управления 17 может быть выполнен на микроконтроллере общего назначения, например, ATMEGA 16 компании Atmel.

Положительный эффект повышения спектральной эффективности (сужение полосы используемых частот), и, за счет этого, более полное использование частотного ресурса, повышение качества передачи речи на краях зон покрытия радиостанции и функциональности системы радиосвязи достигается комбинацией свойств - использованием в радиостанции четырехуровневой частотной манипуляции (четырехуровневой FSK), относящейся к классу модуляций с постоянной огибающей и позволяющей кодировать два информационных бита на один символ, что, в два раза снижает скорость передачи и позволяет использовать усилитель мощности радиостанции в режиме с повышенным КПД (например, при работе активных элементов усилителя мощности в режиме В или С), свойствами цифрового канала связи, который менее подвержен искажениям и интерференции, чем аналоговый, а также применением цифровой обработки, осуществляющей эффективное сглаживание и предкоррекцию модулирующего сигнала. Дополнительный положительный эффект - простота схемы аналогового тракта приема-передачи радиостанции, свойственная известным и распространенным ЧМ радиостанциям, вследствие отсутствия в тракте приема-передачи радиостанции узлов, обеспечивающих их линейность, и, следовательно, более высокая технологичность изготовления радиостанции. Функциональность радиостанции обеспечена возможностью связи с внешней ЭВМ или другими интерфейсными устройствами, позволяющими радиостанции работать как автономно, так и в качестве промежуточных и оконечных звеньев в составе сетевых систем связи, а также возможностью изменения набора функций и характеристик радиостанции программным образом.

Радиостанция была реализована на базе тракта приема-передачи аналоговой УКВ ЧМ радиостанции «Motorola CM140». 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 был выполнен на контроллере ATMEGA16. В режиме передачи речи и данных ширина радиочастотного спектра на выходе УМ по уровню минус 40 дБ составила 5.2 кГц (фиг.2, кривая 1), что позволяет повысить в два раза эффективность использования радиостанцией частотного ресурса по сравнению работой радиостанции в обычным аналоговым режимом при минимально возможной сетки частот 12.5 кГц (фиг.2, кривая 2), в котором ширина радиочастотного спектра составляет примерно 11 кГц.

Радиостанция, содержащая антенну, приемник, выполненный по супергетеродинной схеме с двумя преобразованиями, состоящий из последовательно соединенных антенного коммутатора, преселектора, смесителя, усилителя первой ПЧ, микросхемы приемника, а также громкоговоритель, микрофон, синтезатор, ГУН, первый выход которого через усилитель мощности подключен к антенному коммутатору, второй его выход - к смесителю, а третий выход - к первому входу синтезатора, опорный генератор, выход которого подсоединен ко второму входу синтезатора, при этом первый вход ГУН соединен с выходом синтезатора, отличающаяся тем, что в радиостанцию введены демодулятор четырехуровневой FSK, вход которого подключен к выходу микросхемы приемника, блок обработки, первый выход которого подключен к УНЧ, причем к первому входу блока обработки подсоединен выход демодулятора, а ко второму входу блока обработки - микрофон, модулятор четырехуровневой FSK, вход которого подключен ко второму выходу блока обработки, при этом первый выход модулятора подключен к входу опорного генератора, а второй выход - к второму входу ГУН, блок управления, имеющий выходной разъем для связи с ЭВМ, при этом первый, второй, третий и четвертый вход-выходы блока управления подключены соответственно к вход-выходу синтезатора, к вход-выходу демодулятора, к вход-выходу блока обработки и к вход-выходу модулятора.