Принципы построения передающих устройств в системах защиты

В общем случае радиопередающие устройств представляют собой сложную систему, в которую входят высокочастотный тракт (фильтры, усилители, умножители частоты и т.п.), модулятор для управления колебаниями высокой частоты в соответствии с передаваемой информацией, источники питания, устройства защиты, охлаждения и т.д. При этом, прежде чем делать выбор между передатчиками, а тем более, если необходимо спроектировать передающее устройство, необходимо знать его основные параметры.

К основным параметрам можно отнести: рабочую частоту или полосу частот, стабильность частоты, выходную мощность, КПД, уровень побочного излучения, вид модуляции, назначение (бортовая, наземная), тип сигнала (импульсный, непрерывный), масса, габариты и т.д. Эти признаки определяют специфику и функциональную схему проектирования каждого вида передатчиков.

Стабильность частоты является одним из важнейших параметров передатчика. Повышение стабильности частоты передатчика уменьшает необходимую ширину полосы пропускания приемника, увеличивает дальность действия и повышает помехоустойчивость радиосистемы. Кроме того, высокая стабильность частоты является необходимым условием качественной передачи информации, а также облегчает решение проблемы электромагнитной совместимости. Так как требования к стабильности частоты современных передатчиков очень высоки, то применяют сравнительно низкочастотные маломощные возбудители, для которых легче обеспечить повышенную стабильность частоты. При этом нестабильность частоты характеризуется абсолютным или относительным отклонением мгновенной частоты от ее среднего значения . В радиосистемах передачи информации относительная нестабильность частоты обычно составляет не более . Основными устройствами, определяющими стабильность частоты в передатчике, служат генераторы СВЧ. Для повышения стабильности их частоты применяют: параметрическую стабилизацию (термокомпенсация, ослабление влияния нагрузки); стабилизацию с помощью высокодробных резонансных систем; синхронизацию посредством использования высокостабильного внешнего источника; стабилизацию путем автоматической подстройки частоты (АПЧ).

Вторым важнейшим параметром передатчика является выходная мощность, ее значение (определяемое применяемой элементной базой – интегральные микросхемы, транзисторы, лампы…) и стабильность во времени. Наиболее существенным фактором, сдерживающим получение больших выходных мощностей, является трудность отвода тепла из активной зоны полупроводниковых приборов и связанный с этим их перегрев. В настоящее время в общем случае основным путем повышения уровня необходимых мощностей является сложение мощностей нескольких генераторов (усилителей). Иногда используют параллельное включение нескольких генераторных приборов в одну общую колебательную структуру – резонатор, при этом необходима взаимная синхронизация их работы, чтобы не получить вместо сложения мощности ее вычитание (ослабление).

Что касается КПД передатчиков, то его значения могут колебаться от долей процента до 80%, причем КПД должен быть тем больше, чем больше мощность передатчика или чем более жесткие требования предъявляются к экономичности его питания. Обычно, при повышении рабочей частоты, КПД радипередатчика падает и в диапазоне КВЧ при использовании диодных генераторов КПД не превышает 20%. В связи с этим, даже в миллиметровом диапазоне, вызывают все больший интерес генераторные устройства на основе транзисторов, имеющие более высокий КПД.

По регламенту радиосвязи основное радиоизлучение, предназначенное для передачи сигнала, занимает полосу частот, за верхним и нижним пределами которой средние излучаемые мощности равняются каждая по 0,5% всей средней мощности данного сигнала. При этом неосновные излучения передатчика разделяются на внеполосные и побочные. Внеполосные радиоизлучения – это нежелательные излучения в полосах частот, примыкающих к основной полосе излучения. Они обусловлены неограниченностью спектра конечного во времени сигнала, чрезмерно крутыми фронтами модулирующих импульсов и т.д. Неосновные излучения являются одним из существенных факторов, определяющих электромагнитную совместимость, поэтому их уровень нормируется и контролируется. С учетом этого также может выбираться и вид модуляции сигнала передатчика, от которого зависит диапазон модулирующих частот и спектр частот электромагнитных колебаний радиопередатчика.

Для передачи радиосигналов сегодня применяют различные виды модуляции: амплитудную (АМ), фазовую (ФМ), частотную (ЧМ) и их разновидности. АМ сигналы широко применяются в системах радиотелеметрии и радиоуправления. Частотная и фазовая модуляции тесно связаны и иногда их вместе относят к так называемой «угловой модуляции». ЧМ хорошо известна как тип модуляции, используемой в СВЧ радиовещательном диапазоне. С применением этого вида модуляции строят радиотелеметрические, телевизионные системы, системы радиоуправления. Если девиация частоты велика по сравнению с модулирующей частотой (в сигналесохранены самые верхние частоты), получаем «широкополосную ЧМ», являющуюся наиболее предпочтительной, так как при приеме соотношение С/Ш возрастает на 6 дБ при каждом удвоении девиации ЧМ, что делает широкополосную ЧМ предпочтительнее АМ для высококачественных передач. Однако при этом увеличивается ширина полосы канала, поскольку сигнал при широкополосной ЧМ занимает приблизительно , где максимальное отклонение несущей частоты. Сужение полосы пропускания ЧМ тракта может привести к возникновению не только частотных, но и нелинейных искажений. Также известно, что при широкополосной ЧМ амплитуда несущей может быть очень малой, что обуславливает высокую эффективность ЧМ. Это значит, что большая часть передаваемой энергии содержится в боковых частотах, несущих информацию. Выигрыш же в помехоустойчивости обусловлен тем, что помехи искажают в большей степени амплитуду, чем частоту сигнала. При ЧМ амплитуда сигнала не несет полезной информации и поэтому в приемных трактах может быть введено ограничение по амплитуде, а соответственно в радиоприемных устройствах с небольшим динамическим диапазоном принимаемых сигналов система автоматическая регулировка усиления может не применяться.

ЧМ, если канал имеет достаточное отношение С/Ш, обеспечивает прием с существенно меньшими шумами по сравнению с АМ, где помехи мало уменьшаются с ростом мощности сигнала. Это становится ощутимым, если ЧМ-сигналы ограничиваются по амплитуде перед детектированием. В этом случае система становится относительно нечувствительной к интерферирующим сигналам и шумам, которые проявляются как изменения амплитуды, накладываемые на передаваемый сигнал.

Таким образом, схемотехническое построение передатчика определяется тем, какой из его параметров (вкратце рассмотренных выше) наиболее важен: максимальные уровень выходной мощности, стабильности частоты и т.п. В общем же случае передатчик строится по усилительной схеме со сдвигом частоты вверх (рисунок 2.1.а) или по генераторной схеме с модуляцией несущей в диапазоне СВЧ (рисунок 2.1.б).

Усилительный передатчик выполняется обычно по многокаскадной схеме. В его состав входят гетеродин; предварительный усилитель, на который подается информационный сигнал; один или несколько повышающих преобразователей, поэтапно смещающих информационный сигнал в диапазон СВЧ или КВЧ; выходной усилитель мощности. Главным недостатком этой схемы является б о льшая сложность и трудность обеспечения постоянной частоты гетеродина, что в ряде случаев устраняется применением системы автоматической подстройки частоты или применением вместо обычного гетеродина синтезатора частот, а также возможностью излучения побочных колебаний, связанных с нелинейным преобразованием сигнала при переносе его по частоте. Последний недостаток также можно устранить установкой после преобразователя частоты схемы фильтрующей внеполосные помехи. Устранение некоторых побочных частот можно также достигнуть, используя специальные схемы преобразователей – так называемые смесители с фазовым подавлением зеркального канала.

а)

б)

Рисунок 2.1 – Упрощенная структурная схема построения передатчиков:

а) усилительная, б) генераторная

Число каскадов в усилителе мощности стоящего после преобразователя частоты зависит от требуемого коэффициента усиления, усилительной способности и выходной мощности каждого каскада. При этом, для получения высокого КПД большинство усилительных каскадов работают со сложной периодической формой тока в выходной цепи, отличающейся от гармонической. Поэтому спектр тока выходной цепи содержит как основную составляющую рабочей частоты , так и гармонические составляющие частоты , , … Кроме этих составляющих в составе спектра тока могут быть и всевозможные комбинационные составляющие. Поэтому необходимо либо жертвовать КПД усилителей передатчиков устанавливая линейный режим их работы, либо использовать высококачественные фильтрующие системы на выходе.

Передатчик, построенный по генераторной схеме, более прост по составу и конструкции, но имеет меньшую выходную мощность и более широкий спектр внеполосного излучения. В состав тракта входят обычно опорный генератор, выходная непрерывная мощность которого модулируется низкочастотным информационным сигналом. Некоторые виды генераторов могут модулировать свою выходную мощность посредством цепей питания, исключая дополнительное устройство – модулятор.

Стоит также отметить, что в некоторых передатчиках УВЧ и СВЧ-диапазонов для обеспечения требуемой стабильности частоты целесообразно применять автогенератор, работающий на частоте, в несколько раз меньшей номинальной частоты передатчика. При этом в состав тракта усиления мощности необходимо включать умножители частоты, способствующие также уменьшению влияния нагрузки передатчика и его мощных каскадов на работу генератора. Однако основной в ослаблении этого влияния является первая ступень усиления, называемая буферной.

Несмотря на то, что уже существует множество сложных типов модуляции (широтно-импульсная, кодовая и т.п.) сегодня все еще очень широко применяют классическую частотную модуляцию/манипуляцию, в том числе и в современной элементной базе при помощи которой организовуют передачу различного типа информации. Существует несколько методов получения ЧМ-сигналов. Блок-схема передатчика с непосредственной частотной модуля­цией приведена на рисунке 2.2.а. Неотъемлемой частью такой схе­мы является реактансная схема. Для получения сигнала, модулированного по частоте, требуется изменять частоту несущей со скоростью, зависящей от частоты модулирующего сигнала. Таким образом, если частота модулирующего сигнала равна 100 Гц, частота несущей после модуляции будет отклоняться от средней частоты в обе стороны 100 раз в секунду. Величина же отклонения частоты от ее среднего значения определяется амплитудой модулирующего сигнала.

Поскольку частота несущей непрерывно изменяется в про­цессе частотной модуляции, генератор несущей должен позво­лять осуществлять перестройку частоты. Для того чтобы часто­та несущей была стабильной, применяется кварцованный авто­генератор. Кроме того, для той же цели используется схема ав­томатической подстройки частоты. В данной схеме кварцованный автогенератор вырабатывает колебания частотой . Затем эта частота удваивается до и подается на смеситель, на который также поступают сигналы частотой от генератора с регулируемой часто­той. На выходе смесителя образуется сигнал разностной часто­ты , который поступает на схему автоматической под­стройки частоты.

а) б)

Рисунок 2.2 – Блок-схемы передатчиков ЧМ сигналов:

а) с непосредственной ЧМ; б) с косвенной ЧМ

При работе схемы в ней поддерживается устойчивое состоя­ние. Если частота генератора отклоняется от значения 5 МГц, то сигнал разностной частоты на выходе смесителя не будет совпадать с резонансной частотой, на которую настроена схема АПЧ. В результате на выходе схемы АПЧ появится напряжение, которое будет действовать как управляющий сигнал, корректирующий уход частоты генератора. Как показано на рисунке, управляющий сигнал с выхода схемы АПЧ проходит через фильтр нижних частот и подается на реактансную схему. Последняя осуществляет коррекцию ухода частоты генератора с регулируемой частотой. Фильтр нижних частот используется для того, чтобы модули­рующие колебания, которые содержатся в сигнале , не попадали на реактансную схему. Этот фильтр обычно пропуска­ет сигналы частотой не более 10 Гц. Благодаря исключению сигналов звуковой частоты они не будут оказывать влияния на функцию управления. Если же звуковые составляющие не бу­дут отфильтрованы, то они приведут к появлению реактивно­сти, противоположной по знаку той, которая возникает под действием сигналов, подаваемых с модулирующей схемы. В результате частотная модуляция несущей может свестись к нулю. Так как уход частоты генератора с регулируемой частотой про­исходит с очень небольшой скоростью, то изменение напряже­ния на выходе схемы АПЧ происходит с частотой значительно ниже 10 Гц, то есть в пределах полосы фильтра нижних частот.

Другой метод получения ЧМ-сигналов представлен на рисунке 2.2.б. Вначале осуществляется амплитудная модуляция, ко­торая затем преобразуется в частотную путем смещения боко­вых составляющих на 90° и воссоединения боковых составляю­щих и несущей. Здесь используется маломощная частотная мо­дуляция, поэтому образуются только две боковые составляю­щие достаточной амплитуды. Путем сдвига фазы боковых со­ставляющих получается фазовая модуляция, которая может быть преобразована в частотную при помощи схемы коррекции.

В схеме на рисунке 2.2.б используется кварцованный автогенера­тор, сигналы которого после умножения частоты образуют не­сущую. Звуковые сигналы с усилительного выходного каскада подаются на балансный модулятор, на который поступают так­же сигналы с кварцованного автогенератора. В балансном мо­дуляторе осуществляется амплитудная модуляция несущей звуковыми сигналами. Две боковые составляющие АМ-сигнала подаются на квадратурную фазосдвигающую схему. Две боко­вые полосы затем объединяются с несущей, которая подается от кварцованного автогенератора через буферный усилитель. Таким образом, осуществляется косвенная частотная модуля­ция. В последующих каскадах происходит умножение частоты до требуемого значения. В балансном модуляторе несущая по­давляется, так что на его выходе получаются только сигналы боковых составляющих.

При фазовой модуляции девиация несущей является функ­цией частоты звукового модулирующего сигнала, умноженной на максимально допустимый сдвиг фазы. Следовательно, более высокой частоте звукового сигнала будет соответствовать большая величина девиации несущей в отличие от частотной модуляции, где девиация зависит только от амплитуды звуко­вого сигнала. Для уравнивания девиации с тем, чтобы она со­ответствовала значению, которое имеет место при ЧМ, вводит­ся корректирующая цепь, показанная на рисунке 2.2.б. Эта цепь со­стоит из последовательного резистора и параллельного конден­сатора. Сопротивление резистора выбирается таким образом, чтобы оно было значительно больше реактивного сопротивления конденсатора во всем диапазоне звуковых частот. Поэтому осу­ществляется компенсация характеристик, полученных во время фазовой модуляции сигналов, и на выходе сигнал приобретает свойства ЧМ-сигнала.

Выходной сигнал с корректирующей цепи снимается с кон­денсатора, поэтому амплитуда сигналов изменяется в зависи­мости от частоты. На низких частотах конденсатор имеет боль­шое реактивное сопротивление и оказывает слабое шунтирующее действие. В этом случае амплитуда сигнала, по существу, полностью передается на следующий каскад. Однако на более высоких частотах реактивное сопротивление конденсатора уменьшается, так что он оказывает более сильное шунтирующее влияние. Поэтому при возрастании частоты амплитуда сигна­лов, поступающих с корректирующей схемы на выходной уси­литель, уменьшается. Эта операция, обратная процессу фазо­вой модуляции, приводит к компенсации последней. В резуль­тате осуществляется процесс, эквивалентный стандартной час­тотной модуляции, при которой одинаковым амплитудам звуко­вых сигналов соответствуют одинаковые отклонения частоты несущей независимо от частоты.

Учитывая рассмотренные принципы и рекомендации при построении радиопередатчиков, а также учитывая изложенную выше информацию касательно вида модуляции радиосигнала в качестве примера формирования передающего тракта, например, для радиодатчика охранной системы можно рассмотреть схему ЧМ передатчика представленного на рисунке 2.3.

Из представленного рисунка видно, что при проектировании нашего устройства мы остановились на наиболее распространенной, классической схеме разделения работы в одном устройстве приемного и передающего трактов – схеме использующей одну антенну, как на прием, так и на передачу. Наличие в приемопередающем устройстве циркулятора и дополнительных развязывающих работу приемного и передающего трактов полосовых фильтров привело бы к его удорожанию и увеличению габаритов радиоустройства. Чтобы снизить стоимость приемопередатчика, воспользуемся иным техническим решением по развязке. Наиболее простым из них является использование переключателя на полупроводниковых элементах, то есть схемы работающей по принципу временного разделения режима приема и передачи (полудуплексный режим).

1 – входной полосовой фильтр; 2 – тракт приема сигналов управления;

3 – антенный коммутатор; 4 – выходной усилитель мощности; 5 – синтезатор частоты на основе кольца ФАПЧ; 6 – смеситель; 7 – частотный модулятор;

8 – оконечное цифро-логическое устройство управления режимами работы (прием/передача) и обработки-отображения принятой информации;

9 – высокостабильный тактовый генератор

Рисунок 2.3 – Функциональная схеме ЧМ передатчика, которая берется за основу передающего тракта охранного устройства

Заметим, что сегодня многие функциональные узлы приемопередатчика можно реализовать в виде одной миниатюрной микросхемы, например MAX2420 фирмы MAXIM, состоящей из полнофункциональных управляемых, не связанных между собой приемных и передающих трактов, содержащих усилители, смесители, гетеродин и т.д. Это позволяет создать довольно надежные, малогабаритные и с малым потреблением энергии устройства передачи данных на их основе. Поэтому с учетом функциональной схемы выбранного радиотранссивера MAX2420, функциональная схема тракта передачи кодированных сигналов охранного устройства будет такой, как представлена на рисунке 2.4.

1 – 9 смотри на рисунке 2.3; 10 – перестраиваемый гетеродин; 11 – делитель частоты с переменным коэффициентом деления; 12 – усилитель сигнала с цепями подключения системы АРУ; 13 – внешние частотозадающие цепи внутреннего гетеродина микросхемы; 14 – фильтр нижних частот системы ФАПЧ гетеродина; 15 – фазовый детектор ФАПЧ гетеродина

Рисунок 2.4 – Окончательная функциональная схема передающего тракта разрабатываемого устройства охраны

Радиотранссивер MAX2420 содержит в себе идентичные части приемного и передающего тракта, построенные по принципу одноразового преобразования частоты сигнала (вниз и вверх соответственно). При этом из приведенного рисунка можно заметить, что в преобразователях частоты реализован метод фазового подавления зеркального канала и снижения коэффициента шума смесителя. Такой принцип построения функциональных схем применяется, когда при низкой промежуточной частоте сигналы, и что особенно важно, шумы из зеркального канала недостаточно подавляются в преселекторе и поступают на вход смесителя, повышая его коэффициент шума.

В микросхеме напряжение сигнала подается в фазе на входа сразу двух преобразователей П1 и П2, напряжения же гетеродина G подается на эти преобразователи со сдвигом π/2, осуществляемое в фазавращателе PHASE SHIFTER. Дополнительные фазовые сдвиги на π/2 также осуществляются на промежуточной частоте, после чего напряжения суммируются в сумматоре ∑. При этом, как показывает анализ, напряжения промежуточной частоты из основного канала, имея одинаковые фазы складываются, удваиваются, а напряжения промежуточной частоты из зеркального канала, будучи в контрфазах, уничтожаются. Ослабление шумов зеркального канала, при симметричности плеч составляет примерно 20 дБ. Особенно целесообразно применение таких схем в диапазоне ультравысоких частот и СВЧ, где преселектор обладает небольшой селективностью.

Если рассматривать работу схемы представленной на рисунке 2.4 в целом, то охранная система в общем случае находится в ждущем режиме, когда приемный тракт работает в ждущем режиме (режиме приема кодированного управляющего сигнала с пульта управления), а передающий тракт отключен. При срабатывании датчиков охранной системы, либо приходе сигнала управления с пульта управления, цифро-логический блок 8 переключает охранное устройство (радиотранссивер и антенный коммутатор 3) в режим передачи и вырабатывает соответствующую кодированную последовательность, в которой отображена информация о состоянии датчиков или системе охраны в целом. Данный сигнал является модулирующим и подается на частотный модулятор 7 для модуляции высокостабильного сигнала автогенератора 9. Высокостабильный сигнал автогенератора также используется в системе фазовой автоподстройки частоты гетеродина микросхемы радиотранссивера. Кольцо ФАПЧ помимо внутримикросхемного перестраиваемого гетеродина 10 и делителя частоты 11 содержит внешний дискриминатор (фазовый детектор 15 (рисунок 2.4)), фильтр нижних частот 14 и внешние частотозадающие цепи внутреннего гетеродина 13. Дискриминатор представляет собой устройство, сравнивающее частоты сигнала подаваемые на его вход от делителя частоты 11 и опорного автогенератора 9. Если сравниваемые частоты различны, на выходе дискриминатора появляется сигнал ошибки, который через ФНЧ поступает на частотозадающие цепи гетеродина 13, тем самым устраняя его расстройку по частоте. ФНЧ устраняет помехи фазового дискриминатора пропуская только очень низкие частоты, с какими может меняться частота гетеродина под действием дестабилизирующих факторов. Внешний генератор опорной частоты должен вырабатывать синусои­дальные колебания частотой 10 МГц. Основное требование, предъявляемое генератору – стабильность выходной частоты (с относительной нестабильностью не хуже 10^–6). Такую стабильность можно обеспечить, применяя трехточечную схему с кварцевым резонатором, включенным вместо индуктивного плеча. Выходная мощность автогенера­тора большой роли не играет.

Промодулированный сигнал с модулятора 7 подается на вход передающего тракта радиотранссивера, а точнее на предварительный усилитель 12. Данный усилитель имеет дополнительный вход, позволяющий реализовать в передающем тракте автоматическую систему регулировки усиления по сути всего тракта передачи. После усиления, в преобразователе частоты с фазовым подавлением зеркального канала происходит перенос радиосигнала на более высокую частоту (с 10.7 МГц на 915 МГц). Преобразованный сигнал получает окончательное усиление во внешнем усилителе мощности 4, проходит антенный коммутатор 3 и окончательную фильтрацию в полосовом фильтре 1. Фильтр выполняет две функции. С одной стороны он обеспечивает предварительную фильтрацию внешних помех при приеме сигнала с пульта управления, с другой стороны – электромагнитную совместимость охранного устройства, так как микросхема помимо передачи сигнала на основной частоте имеет ряд побочных гармоник (смотри частотный спектр выходного сигнала на рисунке А.1.а). Отфильтрованный сигнал возбуждает антенну и излучается в

свободное пространство.

Вообще, упомянутый выше цифро-логический блок 8 состоит из логического блока управления и цифровой (процессорной) части. Ло­гический блок управляет работой микросхемы приемопередатчика и синтезатора частот (установка рабочей частоты, мощности передатчика), а также осуществляет связь с внешними устройствами, в том числе и датчиками. Цифровая часть управляет работой радиочастотного тракта (управление режимами прием-передача), анализи­рует сигналы управления от пульта управления и формирует при помощи кодовых комбинаций записанных в энергонезависимой памяти сигнал-ответ – последовательность однополярных импульсов на входе частотного мо­дулятора передатчика.

Для построения цифро-логической части наиболее приемлемым является микроконтроллер, так как он может управлять различными устройствами, принимать, обрабатывать и передавать данные при минимуме дополнительных узлов, так как центральное процессорное устройство и большое число периферийных устройств реализованы непосредственно на кристалле микроконтроллера. Это позволяет уменьшить размеры и энергопотребление конструкции, а также снизить стоимость изделия. Примером такого микроконтроллера может быть микросхема AT90S2343 производства фирмы Atmel, относящаяся к семейству AVR Classic и обладающая следующими характеристиками: тактовая частота ЦПУ: от 0.1 до 10 МГц; объем энергонезависимой памяти данных: 128 байт; объем оперативной памяти: 128 байт; напряжение питания: 4-6 В; максимальный ток, потребляемый от источника питания: 25 мкА.

Микроконтроллер имеет пять линий ввода-вывода, каждая из которых может использоваться как входная или выходная. Кроме того, каждая из линий обладает дополнительными возможностями, выполняя функции входа тактовой частоты, входа/выхода данных при программировании. Тактовая частота при использовании внутреннего генератора фиксирована и равняется 1 МГц, для работы с большими тактовыми частотами применяется внешний генератор.