Применение дуплексных СВ радиоканалов для построения система радиосвязи «точка-точка»

Система дуплексной радиосвязи, предложенная в работе [104] может использоваться при построении дуплексных радиолиний, работающих на одной частоте, в том числе на одну антенну. Структурная схема системы представлена на рис. 4.7. Система состоит из двух одинаковых приемопередающих комплек-

 

 

 

тов. Каждый комплект содержит последовательно соединенные источник сигнала, устройство сжатия сигнала, модулятор, коммутатор, передатчик, последовательно соединенные приемник, демодулятор, устройство расширения сигнала, получатель сигнала, а также, датчик синхросигнала и модулятор синхросигнала, демодулятор синхросигнала, приемопередающую антенну и блок управления.

Устройство сжатия сигнала обеспечивает преобразование непрерывного телефонного сигнала, поступающего от источника сигнала, в кванты сжатого сигнала, которые далее дополняются синхросигналом, сформированным датчиком синхросигнала, и поступают на передатчик и далее в канал связи. С приемника сжатый сигнал поступает на демодуляторы телефонного сигнала и синхросигнала, на которых происходит выделение квантов телефонного сигна-

ла и синхросигнала. Выделенный синхросигнал поступает в блок управления, где используется для синхронизации процессов приема и передачи. Кванты телефонного сигнала с демодулятора поступают в устройство расширения сигнала, где происходит расширение квантов сигнала до длительности Т и восстановление исходного сигнала.

Блок управления формирует сигналы управления устройствами сжатия сигнала и расширения сигнала, датчиком синхросигнала, коммутатором, приемником, обрабатывает полученный с демодулятора синхросигнал, обеспечивает управление приемопередающим комплектом в целом.

В работе [104] представлены варианты исполнения блока управления, устройств сжатия и расширения сигнала. На рис. 4.8 приведена структурная схема блока управления с устройствами сжатия и расширения.

Устройство сжатия сигнала представляет собой последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП), буферный накопитель (оперативное запоминающее устройство – ОЗУ с независимой адресацией записи /считывания), цифро-аналоговый преобразователь ЦАП, ключ, фильтр нижних частот (ФНЧ). Устройство расширения сигнала представляет собой последовательно соединенные АЦП, буферный накопитель с независимой (ОЗУ

 

 

Рис. 4.8. Блок управления системы дуплексной радиосвязи с устройствами сжатия и расширения сигнала

 

адресацией записи /считывания), ЦАП и ФНЧ. Блок управления работает от опорного генератора (ОГ) и формирует все необходимые сигналы управления системы дуплексной радиосвязи в целом. Формирователь импульсов управления вырабатывает следующие сигналы:

· F₁ – частота записи выборок сигнала в регистры ЦАП;

· F₂ = F₁/2 – частота считывания/записи в ОЗУ буферного накопителя, управления коммутаторами блока управления, используется также в качестве опорного сигнала для формирователя цикла Т и формирователя импульсов управления;

· F₃ = F₂ /n (n– целое положительное число) – частота изменения состояния счетчика адреса считывания из буферного накопителя устройс-

тва сжатия сигнала и частота изменения состояния счетчика адреса записи в буферный накопитель устройства расширения сигнала, а также тактовая частота работы АЦП устройства расширения сигнала;

· F₄ = F₃ / k _сж – частота изменения состояния счетчика адреса записи в буферный накопитель устройства сжатия сигнала и частота изменения состояния счетчика адреса считывания из буферного накопителя устройства расширения сигнала, а также тактовая частота работы АЦП устройства сжатия сигнала. F₄ должна удовлетворять требованиям теоремы Котельникова (теоремы отсчетов) по отношении к дискретизируемому сигналу.

На фиг. 4.9 показаны временные диаграммы сигналов управления, формируемых также блоком управления:

· F_тпрд – (рис. 4.9а) сигнал, определяющий основной временной интервал Т, на которые распределяются передаваемые в прямом и обратном направлениях сигналы, параметр Т выбирается исходя из параметров канала связи, его протяженности, а также быстродействия применяемых приемопередающих устройств и удобства ведения радиосвязи; данный сигнал используется для сброса счетчика адреса записи устройства сжатия сигнала;

 

 

· F_тзад – (рис. 4.9б) сигнал, получаемый путем задержки сигнала F_тпрд на время Т_зад ; данный сигнал используется для сброса счетчика адреса считывания устройства сжатия сигнала;

· F_прд – (рис. 4.9в) сигнал, определяющий временной интервал Т_прд, характеризующий время передачи кванта сигнала на временном интервале Т; данный сигнал используется для стробирования сигналов частоты F₃ при сжатии сигнала, для запирания тракта передачи сигнала во

· F_спрд – (рис. 4.9г) сигнал, который используется для запуска датчика синхросигнала и управления коммутатором для подключения модулятора синхросигнала ко входу передатчика;

· F_спрм – (рис. 4.9д) сигнал, который образуется из принимаемого и демодулированного синхросигнала второго приемопередающего комплекта;

· F_пт – (рис. 4.9е) сигнал, вырабатываемый из задержанного сигнала F_спрм на время Т_зад1 = Т_прм + Т_прд + t_з ; (заметим, что Т_прм = Т_прд, а t_з – защитный интервал, включающий в себя время перестройки радиосредств с режима "прием" на режим "передача" или наоборот); данный сигнал в качестве сигнала "сброс" используется для подстройки сигнала основного цикла Т;

· F_прм – (рис. 4.9ж) сигнал, определяющий временной интервал Т_прм, характеризующий время приема кванта сигнала от корреспондента на временном интервале Т; данный сигнал используется для стробирования сигналов частоты F₃ при расширении сигнала;

· F_тпрм – (рис. 4.9 з) сигнал, вырабатываемый из сигнала F_прм; данный сигнал используется для сброса счетчиков адресов записи / считывания буферного накопителя устройства расширения сигнала.

Устройство сжатия сигнала работает следующим образом. Каждый временной интервал входного сигнала Т с тактовой частотой F₄ записывается в буферный накопитель (ОЗУ) и с задержкой Т_зад начинает из него (ОЗУ) считываться с тактовой частотой F₃. То есть, учитывая соотношение частот F₄ / F₃ = T_прд /T, каждый временной интервал сигнала Т будет сжиматься до временного интервала T_прд. Устройство расширения сигнала работает аналогичным образом за исключением того, что входной сигнал записывается в буферный накопитель с тактовой частотой F₃, а считывается с частотой F₄. То есть каждый временной интервал при приеме длительностью T_прм = T_прд будет

расширяться до длительности Т.

Рассмотрим работу системы дуплексной радиосвязи в целом на примере полного дуплексного радиообмена на одной рабочей частоте телефонными (ТЛФ) сигналами. В каждом из приемопередающих комплектов передаваемый ТЛФ сигнал, поступающий из источника сигнала, в устройстве сжатия сигнала распределяется на кванты сигнала длительностью Т (рис. 4.9а), каждый из которых сжимается до длительности Т_прд (рис. 4.9в), модулирует несущую, проходит через коммутатор, усиливается передатчиком и передается через приемопередающую антенну. Во временные отрезки Т_зад, (рис. 4.9б), когда нет передачи квантов сигнала первого приемопередающего комплекта, второй приемопередающий комплект передает на той же рабочей частоте сжатые кванты ТЛФ сигнала, которые через приемопередающую антенну в виде квантов сигнала длительностью Т_прм (рис. 4.9ж) принимаются приемником, демодулируются, расширяются до длительности Т и поступают получателю сигнала. То есть непрерывно на одной и той же рабочей частоте производится непрерывный (дуплексный) обмен ТЛФ сигналами. Для поддержания устойчивого обмена ТЛФ сигналами периодически (с периодом NT, где N – целое положительное число) формируются, модулируются и передаются синхросигналы (рис. 4.9г). Передаваемые вторым корреспондентом синхросигналы, принимаемые первым корреспондентом как F_спрм (рис. 4.9д) и формируемые далее блоком управления, как F_пт (рис. 4.9е), позволяют подстроить основной временной цикл Т первого корреспондента. Аналогично по передаваемым первым корреспондентом синхросигналам подстраивается основной временной цикл Т второго корреспондента. На время передачи синхросигнала коммутатор подключает свой выход к выходу модулятора синхросигнала.

Для уменьшения времени и увеличения надежности вхождения в связь целесообразно при вхождении использовать более длинную синхропоследовательность, чем при ведении связи. В качестве синхропоследовательности может быть принят, например, код Баркера, М-последовательность или любая другая последовательность с хорошими автокорреляционными и взаимнокорреляционными характеристиками.

Вхождение в связь.

Относительно низкая частота переключений радиостанций с приема на передачу и наоборот позволяет применить для вхождения в связь систему единого времени на базе приемников GPS/ГЛОНАСС, для чего они должны быть включены в состав радиостанций. Однако, при этом должно быть задано какая из двух радиостанций работает в «позитиве» и какая в «негативе», чтобы обеспечить работу в противофазе. Таким образом, может быть реализовано беспоисковое и бесподстроечное вхождение в связь.

Рассмотрим более подробно метод вхождения в связь с использованием специальных синхропоследовательностей в составе вызывного сигнала. В исходном состоянии обе радиостанции находятся в состоянии (в режиме) дежурного приема, т.е. в режиме непрерывного поиска сигналов вызывающей станции. Далее одна из радиостанций начинает передачу вызывного сигнала передаче вызывного сигнала, что и является началом вхождения в связь.

Вызывной сигнал посылается заданное количество раз, например 10 раз в слотах передачи. В слотах приема вызывающая радиостанция ожидает сигнал «ответ» от вызываемой радиостанции. Вызываемая радиостанция, приняв вызывной сигнал, по синхросигналу в его составе проводит синхронизацию своих циклов прием/передача с циклами вызывающей радиостанции. Затем вызываемая радиостанция в слоты передачи передает заданное число раз команду «ответ» и переходит в режим ведения связи. Приняв сигнал «ответ» вызывающая радиостанция прекращает передавать вызывной сигнал и переходит в режим ведения связи, извещая об этом оператора звуковым или световым сигналом и подключает гарнитуру оператора к образованному каналу связи

Синхронизация вызываемой станции по командам вызывающей производится следующим образом. При приеме вызывного сигнала (команды «вызов») радиостанция по «меандру» проводит тактовую синхронизация и по синхропоследовательности проводит цикловую синхронизацию. Далее определяется номер вызываемой радиостанции. Если это не её номер, то радиостанция остается в режиме дежурного приёма. Если это её номер, то определяется идентификатор команды и режим работы. По режиму определяется требуемый период Т, в соответствии с которым необходимо проводить переключение прием/передача. Радиостанция устанавливает заданный режим работы и устанавливает (смещает) положение своих слотов приема и передачи относительно слотов вызывающей радиостанции так, чтобы начало слота передачи вызывающей станции приходилось на момент времени сдвинутый относительно начала слота приема вызываемой станции на интервал t = ( + ).

По окончании сеанса речевой связи любой из операторов нажимает кнопку на радиостанции - «конец связи», после чего радиостанция передает в эфир команду «конец связи» и переходит в режим дежурного приема.

На рис. 4.10 приведён возможный вариант структуры команд «вызов», «ответ» и «конец связи».

В процессе ведения связи радиостанции обеспечивают дуплексный речевой обмен операторам, при этом вызываемая радиостанция непрерывно подстраивается (корректирует положение слотов приема и передачи) под вызывающую станцию по передаваемым в каждом слоте синхросигналам. Коррекция производится по нескольким принятым синхросигналам, если заданное положение синхросигнала сдвинулось. Вызывающая станция не меняет временное положение своих слотов приема и передачи.

Заметим, что закон сжатия временных интервалов передаваемого телефонного сигнала длительностью Т и обратный закону сжатия закон расши-рения квантов телефонной информации длительностью Т_прм могут быть

Структура команды «вызов»

 

Структура сигнала «ответ»

 

Структура сигнала «конец связи»

 

Рис. 4.10.Вариант структуры команд «вызов», «ответ» и «конец связи».

произвольными и определяться необходимостью простоты их реализации аппаратными средствами или приданием специальных свойств сигналу, передаваемому по каналу связи, например, его закрытию. Устройства сжатия и расширения сигнала могут быть реализованы на микроконтроллере, снабженном АЦП и ЦАП.

Устройство управления также может быть реализовано на микроконтроллере. При необходимости в микроконтроллере программно может быть реализовано и закрытие речи.

В заключение заметим, что использование предлагаемой системы дуплексной радиосвязи позволит практически реализовать режим полного дуплексного телефонного радиообмена на одной рабочей частоте.

Требования к приемопередатчику СВ-КВ диапазонов, обеспечивающему работу в режиме дуплексной связи с временным разделением каналов приема и передачи

Рассмотренный выше метод реализации дуплексного телефонного режима, в том числе и в КВ диапазоне радиоволн, с использованием временного разнесения каналов приема и передачи требует периодического переключения режимов приема и передачи с частотой порядка 3 - 10 Гц, что в свою очередь накладывает требование на длительность переключения с приема на передачу (или обратно) – не более 10 мсек. При этом должна быть обеспечена не только защита приемника от сигнала передатчика с большим уровнем мощности (сотни ватт) при передаче, но и от шумовой компоненты усилителя мощности в режиме приема. В связи с этим, соединение приемника и передатчика с антенной должно осуществляться через переключающий элемент, удовлетворяющий перечисленным требованиям. В большинстве случаев для коммутации антенной цепи КВ приемопередатчика используется электромеханический переключатель, работающий в широком диапазоне частот с временем переключения не менее 10 мсек. Основным недостатком приемопередатчика с электромеханическим переключателем является низкий ресурс работы из-за ограниченного количества переключений. Для реализации быстродействующего коммутатора антенной цепи КВ приемопередатчика с высокой скоростью могут быть применены схемы коммутации с p-i-n диодами [15]. При этом включение p-i-n диодов в последовательную цепь связи с антенной для коммутации сигналов с высоким уровнем мощности в диапазоне коротких волн не допустимо из-за ограниченного накопленного заряда диода. Поэтому для коммутации режимов передачи и приема используются резонансные цепи с изменяющимися параметрами.

Известен вариант построения приемопередатчика с электронным переключателем прием-передача [44], в котором для повышения развязки между цепями приема и передачи используются свойства последовательного и параллельного контуров, цепи которых формируются с помощью переключаемых p-i-n диодов.

Недостатками такого технического решения являются узкая полоса частот, в которой будут обеспечиваться передача и прием сигналов, отсутствие возможности работы на одной частоте приемника и передатчика, отсутствие защиты приемника от шумов усилителя мощности, что приводит к снижению его чувствительности.

Нами предложен приемопередатчик, обеспечивающий работу в соответствие с описанным выше способом дуплексной телефонной связи, реализующий при этом высокую скорость переключения режимов приемопередатчика в широком диапазоне частот, в том числе и на одной частоте, а также повышение реальной чувствительности приемника [3]. Функциональная схема приемопередатчика представлена на рис. 4.11. Приемопередатчик состоит из возбудителя радиосигналов передатчика, усилителя мощности, фильтра нижних частот, который в свою очередь состоит из последовательно включенных катушек индуктивности и конденсаторов, коммутаторов, работающих на p-i-n диодах с дросселем, по которому передается сигнал управления, и с фильтрующим конденсатором, а также из приемника и устройства управления, первый выход которого соединяется с управляющими входами коммутаторов электронного переключателя, второй выход устройства управления соединен с управляющим входом возбудителя сигнала передатчика, третий выход устройства управления соединен с управляющим входом усилителя мощности для запирания его входных каскадов.

Приемопередатчик работает следующим образом. От источника информации сигнал поступает на возбудитель радиосигналов передатчика, откуда модулированный сигнал поступает на усилитель мощности, усиленный сигнал поступает на вход фильтра нижних частот, проходит через LC-элементы фильтра (последовательные катушки индуктивности и конденсаторы) к антенне.

Через ФНЧ проходит сигнал, несущий информацию на рабочей частоте, а гармонические составляющие сигнала подавляются фильтром. При прохождении сигнала передатчика коммутаторы отключены, поэтому через ФНЧ сигнал от усилителя мощности передается к антенне без ослабления. При поступлении команд от устройства управления возбудитель сигнала передатчика отключается, в усилителе мощности уменьшаются токи покоя транзисторов, вследствие чего уменьшается усиление, на коммутатор от устройства управления подается положительное напряжение, и под воздействием постоянных токов, протекающих через p-i-n диоды и дроссели, коммутатор открыт, при этом вывод индуктивности ФНЧ через коммутатор соединяется с корпусом, вследствие чего формируется параллельный контур, состоящий из катушки индуктивности и конденсаторов с частотой настройки, близкой к частоте среза ФНЧ, что следует из расчета и анализа ФНЧ с характеристикой Кауэра (Чебышева).

В приемном режиме через диоды коммутатора протекает ток, замыкающийся на корпус через выходные цепи усилителя мощности и входные цепи приемника, вследствие чего высокочастотный сигнал от антенны поступает на вход приемника. Параллельно антенной цепи подключен сформированный параллельный контур (катушка индуктивности, конденсаторы), который в диапазоне рабочих частот ФНЧ носит индуктивный характер, вследствие чего принимаемый сигнал претерпевает ослабление порядка 1 дБ. В приемном режиме на выходе усилителя мощности отсутствует не только информационный сигнал передатчика (пауза), но и его шумовая составляющая, т.к. в под воздействием запирающего сигнала от устройства управления усилитель мощности ослабляет входной шуми, кроме того, в цепи передачи катушка индуктивности в ФНЧ соединена с корпусом через открытые p-i-n диоды коммутатора.

В рассматриваемом изобретении через открытый канал коммутатора передается низкоуровневый сигнал приемника, а при прохождении через ФНЧ сигнала передатчика p-i-n диоды коммутаторов находятся в выключенном состоянии, поэтому, согласно расчету и экспериментам, накопленный заряд p-i-n диодов обеспечивает прием и передачу сигналов без искажений. Наличие цепей развязки для управления p-i-n диодами увеличивает время переключения из передающего в приемный режим, но не превысит 10 микросекунд (согласно экспериментам), что вполне достаточно для обеспечения дуплексного режима связи.

Неискаженная передача сигнала с высоким уровнем мощности (до 1 кВт) к антенне обеспечивается схемой за счет отсутствия шунтирующего воздействия запертых p-i-n диодов коммутаторов. С этой же целью в коммутаторах может использоваться по два p-i-n диода со встречным включением.

Указанная цель достигается тем, что в приемопередатчике, содержащем возбудитель радиосигнала передатчика, усилитель мощности, фильтр нижних частот, выход которого постоянно подключен к антенне, приемник, подключаемый к антенне через быстродействующий коммутатор на p-i-n диодах, и устройство управления, выход которого соединяется с управляющими входами коммутаторов электронного переключателя для обеспечения поочередной работы передатчика и приемника на одной частоте на одну антенну, отличающимся тем, что в тракте фильтра нижних частот передатчика используется быстродействующий коммутатор на p-i-n диодах, который при работе приемника соединяет с корпусом один конец катушки индуктивности, второй конец которой подключен к антенне, второй выход устройства управления соединен с управляющим входом возбудителя сигнала передатчика, обеспечивая его отключение от входа усилителя мощности в периоды приема, третий выход устройства управления соединен с управляющим входом усилителя мощности для запирания его входных каскадов, обеспечивая таким образом снижение шумов усилителя в режиме приема.

Используемый в приемопередатчике фильтр нижних частот (ФНЧ) предназначен для подавления гармонических составляющих передаваемого сигнала и может содержать 10 или более LC-элементов Кауэровской или Чебышевской структуры. При соединении с корпусом одного конца катушки индуктивности, другой конец которой соединен с антенной, формируется параллельный контур из рассматриваемой катушки индуктивности, параллельного ей конденсатора и конденсатора, подключенного параллельно антенной цепи, частота резонанса этого контура будет близка к частоте среза ФНЧ, что следует из анализа частотных свойств ФНЧ Кауэра. Вследствие этого при работе приемников полосе частот ниже частоты среза ФНЧ параллельно антенной цепи будет подключена эквивалентная индуктивность, увеличивающая потери принимаемого сигнала за счет рассогласующего воздействия. Однако, согласно расчетам в полосе частот от f_min до f_max при коэффициенте k_f по поддиапазону рабочих частот,

эти потери не превысят 1 дБ, что приемлемо для коротковолнового приемника.

Резонансные свойства LC-цепей и быстродействующие коммутаторы на p-i-n диодах широко известны, использование их с целью обеспечения высокой скорости переключения сигналов с большой мощностью передатчика и низкоуровневых сигналов приемника позволяет сформировать дуплексный режим связи с временным разделением передачи и приема сигналов, в том числе и на одной частоте.