Разработка передающего устройства системы беспроводного удаленного доступа

АННОТАЦИЯ Задачей данного дипломного проекта было разработать передающее устройство системы беспроводного удаленного доступа.

Были рассмотрены следующие вопросы:

выбор структурной схема системы WLL;

выбор компонентов схемы ПУ;

разработка передающего устройства системы беспроводного удаленного доступа.

В дипломном проекте также освещены вопросы по экономике и охране труда.

Содержит: пояснительную записку — 108 страниц, иллюстраций — 30, таблиц — 12, список литературы — 13 источников.

ЛИСТ СОКРАЩЕНИЙ БЛТ — беспроводной линейный трансивер;

ПИБ — пользовательский интерфейсный блок;

ЦБДП — центральный блок доступа и преобразования;

ЦППБ — центральный приемопередающий блок;

МДКР — множественный доступ с кодовым разделением каналов;

УТР — универсальная телефонная розетка;

ЦУК — центр управления и контроля;

ППС — приемопередающая стойка;

СКС — стойка коммутации и сопряжения;

ППУ — приемопередающее устройство;

ФСС — фильтр сосредоточенной селекции;

СВК — сигнал включения канала;

УУ — устройство управления;

УКК — устройство коммутации кодов;

ППИ — измерительный приемопередатчик;

БАК — блок абонентских комплектов;

БП — блок питания;

СЗК — сигнал «занятия канала»;

МС — маркерный сигнал;

ИВ — избирательный вызов;

СПВ — сигнал подтверждения вызова;

АОН — автоматическое опознание номера;

СО — сигнал отбоя;

РПдУ — радиопередающее устройство;

РПрУ — радиоприемное устройство;

GUB — генератор-модулятор;

ПУМ — предварительный усилитель мощности;

ЧД — частотно-фазный детектор;

См — смеситель;

КФ — керамический фильтр;

ПАВ — полосовой фильтр;

МШУ — малошумящий усилитель высокой частоты;

УПЧ — усилитель промежуточной частоты;

УНЧ — усилитель низкой частоты;

СРИ — система распределения информации;

УВЧ — усилитель высокой частоты;

ПУМ — предварительный усилитель мощности;

УМ — усилитель мощности;

G1 — подстраиваемый генератор;

G2 — кварцевый генератор (эталонный);

G3- гетеродин;

ДЧ — делитель частоты;

УСО — усилитель сигнала ошибки;

УЧ — умножитель частоты;

АФАР — активные фазированные антенные решетки;

ИМСх — интегральные схемы;

НЭ — нелинейный элемент;

АМ — амплитудная модуляция;

ЧМ — частотная модуляция;

ЭМП — электромагнитные поля;

ППЭ — плотность потока энергии;

ДН — диаграмма направленности;

ТС — телефонная сеть;

АФ — антенный фильтр;

УПЧ-1 — промежуточный каскад;

УПЧ-2 — тракт промежуточной частоты;

1DA1 — частотно-модулированный дискриминатора на функциональной микросхеме;

1DA2 — усилитель звуковой частоты на микросхеме;

М — микрофон;

1ZQ3 — фильтр основной селекции;

СОДЕРЖАНИЕ Введение

1. Структурная схема ППБ в системе WLL

1.1 Характеристика функциональной схемы системы WLL

1.2 Система беспроводного удаленного доступа в телефонную сеть

1.3 Функциональная схема радиосвязи с использованием системы WLL

1.4 Устройство и принцип работы станционного полукомплекта системы WLL

1.5 Выбор структурной схемы абонентской радиостанции

1.5.1 Радиопередающее устройство

1.5.2 Радиоприемные устройства

1.6 Принцип работы радиопередающего устройства

1.7 Принцип работы абонентской радиостанции

1.8 Выбор частотного диапазона системы WLL

1.9 Оценка дальности радиосвязи

2. Схемотехника передающего устройства

2.1 Транзисторные автогенераторы

2.2 Транзисторные автогенераторы с кварцевой стабилизацией

2.3 Транзисторный автогенератор, работающий на основной частоте

2.4 Транзисторный автогенератор, работающий на гармонике кварца

2.5 Кварцевые автогенераторы на интегральных микросхемах

2.6 Метод управления несущим высокочастотным сигналом

2.6.1 Амплитудная модуляция

2.6.2 Угловая модуляция

3. Передающее устройство абонентской станции

3.1 Технические характеристики станции

3.2 Поверочный расчет каскадов станции

3.2.1 Выбор и расчет схемы задающего генератора

3.2.2 Расчет схемы модулятора

3.2.3 Выбор и расчет схемы преобразователя частоты

3.2.4 Расчет каскада УВЧ

3.2.5 Выбор и расчет схемы усилителя мощности

3.3 Принцип работы схемы электрической принципиальной

4. Технико-экономическое обоснование проекта. Расчет экономической эффективности в сфере производства новой техники

4.1 Характеристика изделия. Обоснование объема производства и расчетного периода

4.2 Определение себестоимости и рыночной цены изделия

4.3 Расчет стоимостной оценки затрат

4.3.1 Расчет единовременных затрат

4.4 Расчет экономического эффекта при производстве новой техники

5. Охрана труда и экологическая безопасность. Обеспечение защиты от электромагнитных полей при эксплуатации передающего устройства пользовательского интерфейса

5.1 Характеристика проектируемого передающего устройства линии радиосвязи

5.2 Оценка максимально возможных уровней полей

5.3 Обоснование и выбор инженерно-технических мер по защите людей от ЭМП Заключение Литература ВВЕДЕНИЕ Передача информации в пространстве с помощью радиоволн осуществлялась со времени изобретения радио в конце девятнадцатого века. В настоящее время интерес к радиосвязи возрос в связи с тенденцией отказа от проводов. Появился модный термин «беспроводная связь» (wireless), что является синонимом «радиосвязи».

Передают обычно речь, музыку, тексты, изображения и др. Эту информацию преобразуют в видеосигнал, т. е. зависимость тока или напряжения от времени. Видеосигнал может быть аналоговым, как в имеющихся и отживающих системах, либо цифровым — в новейших системах. В последнем случае аналоговый сигнал преобразуется в поток цифр, как правило, записанных в двоичном виде.

С этой целью осуществляется квантование аналогового видеосигнала по времени и уровню. В результате каждому дискретному моменту времени ставится в соответствие ближайший цифровой уровень. Поток цифр посредством импульсно — кодовой модуляции преобразуется в двоичный вид. В конечном итоге передаче подлежит поток единиц и нулей, представляющих собой начальную информацию.

Для большинства специалистов и пользователей систем связи вполне очевиден тот факт, что одним из основных преимуществ систем радиосвязи является высокая скорость развертывания и гибкость их архитектуры. Высокая скорость развертывания достигается благодаря тому, что не требуется создавать проводную инфраструктуру, необходимую для объединения всех объектов, участвующих в сеансах связи. Это преимущество становится решающим, особенно в тех случаях, когда проложить проводные линии связи чрезвычайно трудно или даже невозможно. Кроме того, на организацию системы связи может отводиться слишком мало времени, а прокладка проводных линий всегда связана с существенными затратами времени.

Если учесть все здесь вышеизложенное, то при телефонизации, особенно районов с низкой плотностью населения, когда прокладка проводных коммуникаций экономически нецелесообразна, может выручить технология, получившая название Wireless Local Loop (WLL) — «система беспроводного удаленного доступа». Рассмотрим тему данного дипломного проекта на примере технологии Wireless Local Loop.

1. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ППБ В СИСТЕМЕ WLL

1.1 Характеристика функциональной схемы системы WLL

Рассмотрим технологию Wireless Local Loop (WLL) подробнее. Что это такое? Допустим имеется населенный пункт А, где отсутствуют обычные проводные телефоны, так что задача вполне очевидна — соединить телефонизированную территорию с населенным пунктом А. Тогда у жителей этого населенного пункта могут быть установлены телефоны. Названная задача и решается с помощью системы WLL, которая строится следующим образом (Рисунок 1).

Основными функциональными узлами являются беспроводной линейный трансивер (БЛТ) и пользовательский интерфейсный блок (ПИБ).

БЛТ является по своей сути центральной станцией, которая подключается к городской телефонной сети и состоит из двух основных блоков: центрального блока доступа и преобразования (ЦБДП) и центрального приемопередающего блока (ЦППБ), соединенных между собой соединительной линией Е₁ (линия передачи типа Е₁ соответствует рекомендации МККТТ G703 и обеспечивает скорость передачи информации 2,048 Мбит/с).

Рисунок 1 — Схема линии беспроводного удаленного доступа

Основные задачи ЦБДП [1]:

— Организация 16 линий типа Е₁ к местной АТС;

— Организация двух линий Е₁ к ЦППБ;

— Управление и контроль аппаратных и программных ресурсов всей системы;

— Управление процессом использования канального ресурса;

— Преобразование информационного потока 64 кбит/с в поток 32 кбит/с (адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция) или в поток 16 кбит/с.

Основные задачи ЦППБ:

— передача информации по радиоканалу между ЦБДП и пользовательским приемопередающим блоком ППБ. При этом в зависимости от конкретных технических решений может использоваться как направленная, так и ненаправленная антенна;

— формирование широкополосных шумоподобных сигналов (осуществление множественного доступа с кодовым разделением каналов МДКР (СОМА);

— организация радиоканала в СВЧ диапазоне;

— выполнение функции репетитора для конфигураций системы радиосвязи «Цепочка» и «Звезда»;

— подключение локальных проводных линий.

Пользовательский интерфейсный блок содержит два основных узла: пользовательский приемопередающий блок и универсальную телефонную розетку (УТР).

ППБ является внешним устройством, размещается он вне помещения и представляет собой трансивер с небольшой плоской антенной и модемом, имеющим интерфейс с универсальной телефонной розеткой.

Основные задачи ППБ — передача по радиоканалу потока данных на ЦПБ и оповещение УТР о неисправностях при работе в сети ISDN (цифровая сеть с интеграцией услуг), а также аналоговых сигналов. Плоская антенна ППБ имеет небольшие размеры, является направленной, что, естественно, благоприятно сказывается на дальности связи.

Универсальная телефонная розетка размещается у пользователя в помещении. Она является физическим интерфейсом для любого проводного устройства (телефонного аппарата, факса и т. п.).

УТР содержит элементы питания, которые обеспечивают работают как самой УТР, так и ППБ. На УТР имеется ЖК дисплей для отображения статусной информации как самой УТР, так и блока ППБ. Здесь же имеется гнездо для размещения идентификационной карты («SMARTCARD»), которая содержит уникальный код пользователя.

Для подключения оконечного пользовательского устройства могут быть использованы две аналоговые линии или одна линия ISDN.

Управление системой и контроль осуществляется из Центра управления и контроля (ЦУК).

Основные функции ЦУК [2]:

— определение структуры WLL (аппаратных и программных средств);

— аварийная сигнализация;

— управление безопасностью передачи информации;

— контроль и регулировка параметров сети.

Обмен информацией на участке ЦППБ-ППБ осуществляется в диапазоне частот 3,6…4 ГГц, причем полоса каналов составляет 10 МГц. Каждый канал способен передавать поток информации со скоростью 2,048 кбит/с. Каждый такой поток состоит из более мелких подканалов, по которым передается информация со скоростью 16 кбит/с. Любому пользователю может быть выделено несколько таких подканалов. В системе используется метод множественного доступа с кодовым разделением каналов (МДКР), который позволяет нескольким абонентам одновременно работать в одном и том же секторе частот, что позволяет максимально эффективно канальный (частотный) ресурс системы.

1.2 Система беспроводного удаленного доступа в телефонную сеть

В последние десятилетия появились отечественные системы WLL, такие как «КАРТ», «Вилия», «СПС-30/1000», «Ритал 300, 800», способные обеспечить радиотелефонной связью как подвижных, так и стационарных абонентов, а также автоматический выход абонентов на АТС.

Отечественные системы WLL подключаются к двухпроводным абонентским линиям всех типов АТС с напряжением на линии 48−72 В. Устройство, обеспечивающее удаленный доступ в телефонную сеть (ТС), получило название «радиоудлинитель». Радиоудлинитель позволяет обеспечить связью от 16 до 64 абонентов по 4 равнодоступным радиоканалам и не требует постоянного обслуживания.

Дальность радиосвязи зависит от рельефа местности и высоты подъема приемопередающих антенн. Средняя дальность радиосвязи может достигать 30 и 70 км для возимой и стационарной системы WLL соответственно.

Системы WLL работают только в зарегистрированных абонентских радиостанциях, с продолжительностью одного разговора до 20 минут.

В состав системы WLL входят два полукомплекта, один центральный и один абонентский. Рассмотрим структурную схему системы на примере аппаратуры «КАРТ-4» (рисунок 2).

В полукомплект станционного оборудования входит (рисунок 2, а):

— антенно-фидерное устройство;

— приемопередающая стройка (ППС);

— стройка коммутации и сопряжения (СКС);

В абонентскую радиостанцию (полукомплект рисунок 2, б) входит:

— антенно-фидерная система;

— приемопередающее устройство (ППУ);

— блок сопряжения ППУ с телефонным аппаратом;

— универсальную телефонную розетку (УТР).

Рисунок 2 — Структурная схема системы «КАРТ-4»

1.3 Функциональная схема радиосвязи с использованием системы WLL

Конструктивно абонентская радиостанция состоит из четырех блоков:

— приемопередатчика;

— микротелефонной трубки с поставкой;

— каркас с фильтром;

— антенно-фидерной системы.

Подключение ППБ к антенне осуществляется с помощью коаксиального кабеля с волновым сопротивлением =50 Ом.

Антенный фильтр входит в состав антенно-фидерного тракта и предназначен для работы ППБ на одну антенну (рисунок 3).

Фильтры сосредоточенной селекции ФСС1 и ФСС2 настроены на частоту, генерирующую передающим устройством, включены параллельно и образуют высоко добротную резонансную системы. Генерируемые ПУ колебания выделяются результирующей резонансной системой и передаются в антенну, А для излучения.

Принятые антенной, А сигналы центральной радиостанции, выделяются результирующей резонансной системой, образованной ФСС3 и ФСС4 и поступают на вход приемного устройства абонентской радиостанции. Результирующая резонансная система ФСС3, ФСС4 для колебаний частоты ПУ представляет сопротивление близкое к нулю и колебания этой частоты на этой резонансной системе не выделяются.

Рисунок 3 — Структурная схема станционного полукомплекта

1.4 Устройство и принцип работы станционного полукомплекта системы WLL

На центральной радиостанции для каждого частотного диапазона устанавливается:

— один восьмиканальный приемник;

— восемь постоянно включенных передатчиков;

— коммутационное оборудование.

ЦС осуществляет связь с абонентской радиостанцией на одном из восьми двухчастотных каналах связи. При этом частота передачи ЦС соответствует частота приема абонентской радиостанции, а частота приема ЦС соответствует частоте передачи абонентской радиостанции. Разнос по частоте передающего и приемного каналов равен 36 МГц.

Коммутационное оборудование ЦС обеспечивает автоматический набор нужного соединения, обработку и формирование сигналов взаимодействия с подвижной радиостанцией и телефонными сетями на всех этапах соединения, а также трансляцию информации. По окончании связи осуществляется автоматическое разъединение.

ЦП обеспечивает режим двухсторонней связи и режим дежурного приема.

Режим дежурного приема соответствует состоянию, когда телефонная трубка установлена на подставке, выключатель радиостанции находится в положении «ВКЛ» (переключатель установлен в положении «1»). В этом режиме приемник радиостанции постоянно включен, а передатчик выключен.

Автоматическое устройство радиостанции осуществляет последовательное поочередное включение приемника на каждом из восьми каналов связи. Время нахождения приемника на каждом канале связи составляет 200−250 мс.

В исходном состоянии питание поступает на все каналы ЦС, но аппаратура на передачу не работает. При подаче со стойки коммутации и сопряжения на первый канал сигнала включения, частотой 2295 Гц, этот же сигнал через устройство коммутации поступает на плату автоматики канала, где вырабатывается сигнал включения канала (СВК) и выдается команда через устройство управления на включения передатчика. В устройстве управления (УУ) вырабатываются команды двух типов:

— включение кода 1-ого канала, который поступает на устройство коммутации кодов (УКК);

— включение измерительного приема-передатчика (ППИ).

С этого момента включается передатчик первого канала и начинается самопроверка его работоспособности, которая производится в следующей последовательности: сигналом включения канала (СВК) модулируется несущая частота передатчика 1-ого канала (сигналы, поступающие с СКС, являются входными сигналами подмодулятора передатчика). Измерительный приемопередатчик включается на частоту 1-ого канала вследствие считывания кода 1-ого канала с устройства коммутации кодов, при этом частота приема ППИ равна частоте передачи ППИ 1-ого канала.

Низкочастотный сигнал первого канала с выхода измерительного приемника поступает на вход модулирующего каскада ППИ, в результате чего происходит модуляция сигналом СВК несущей частоты передатчика ППИ.

При исправности канала СВК поступает в линию приемника 1-ого канала. Стойка коммутации и сопряжения снимает, сигнал «Вкл. канала». Посредством сигналов взаимодействия между абонентами АТС и радиоабонентом устанавливается связь и осуществляются переговоры по 1-ому каналу. Самопроверка канала производится за время не более 0,45с. В случае неисправности кольца (СВК не снимает сигнал с СКС не менее 1,25с) в устройстве автоматики формируется сигнал «коммутация н.ч.», который выключает передатчик 1-ого канала и, поступая на устройство — коммутирует линию 1-ого канала на резервный канал. Самопроверка резервного канала производится по аналогии 1-ого канала. При получении положительного результата самопроверки — осуществляется связь по этому каналу.

Выключение канала производится задним фронтом сигнала «отбоя», поступающего с СКС частотой f= 2363 Гц и длительностью не менее 2 с.

При выключении резервного канала по сигналу «отбоя» происходит выключение передатчика резервного канала.

При выключении основного канала по сигналу «отбоя» передатчик основного канала переходит в режим пониженной мощности. При этом дополнительной индикации не имеется.

Рассмотрим структурную схему стойки коммутации и сопряжения (рисунок 4).

СКС обеспечивает коммутацию и сопряжение четырех проводных линий связи от приемо-передающего оборудования на двухпроводные абонентские линии АТС (до 64 линии) с организацией необходимых алгоритмов взаимодействия, как со стороны АТС, так и со стороны абонентских радиостанций комплекта «КАРТ-4». При работе СКС в составе «КАРТ-4» используется алгоритм взаимодействия «Алтай-Зм». Кроме того, СКС обеспечивает контроль функционирования системы, тестирование и ввод исходных данных.

Рисунок 4 — Схема электрическая структурная стойки коммутации и сопряжения

Блок управления выполняет функции, связанные с организацией связи, взаимодействия с абонентами радиостанций и приемно-передающей стойкой, а также управлением абонентскими комплектами с вводом исходных данных.

Блок абонентских комплектов (БАК) обеспечивает взаимосвязь СКС с абонентскими линиями АТС. БАК содержит 8 абонентских комплектов, каждый из которых обеспечивает сопряжение с двумя абонентскими линиями. В зависимости от исполнения стойка СКС может содержать от одного до 4-х БАК. Блок питания (БП) обеспечивает все устройства стабилизированным напряжением и в зависимости от источника, подключается к сети переменного тока напряжением 220 В или к источнику питания АТС напряжением 60 В.

Для подготовки СКС к работе необходима установка, когда СКС по всем 4 каналам формирует сигнал «отбоя» частотой =2363 Гц и длительностью не менее 2 с, что приводит к выключению всех приемо-передатчиков ППС.

Для включения какого-либо канала, по этому каналу передается сигнал включения (Т₁, Т₂) приемо-передатчика. Сигнал «занятия канала» (СЗК) частотой 2295 Гц до получения сигнала этой же частотой, но не более 1,3 с, если ответный сигнал получен позже или через 0,45 с, то СКС принимает решение, что основной ПП неисправен, если ответный сигнал не получен в течение 1,3 с, то принимается решение о том, что неисправны основной и резервный приемо-передатчик, при этом канал бракуется, выдается сообщение об ошибке и включается следующий канал. При получении ответного сигнала СКС считает, что приемо-передатчик этого канала включен и исправен. После начальной установки производится включение одного из каналов и по нему передается маркерный сигнал (МС) частотой f=2397 Гц, что означает переход этого канала в дежурный режим.

Рассмотрим подробнее входящие соединения:

При получении сигнала вызова с абонентской линии Т1 — проверяется наличие у абонента времени для разговора и наличие свободного канала, после этого свободный канал занимается и по нему передается сигнал включения приемо-передатчика Т1-Т2 (рисунок 5).

На следующем этапе передается 3-х частотная посылка избирательного вызова (ИВ), соответствующая индивидуальному номеру абонентской станции. Соответствие частот индивидуальным номерам приведены в таблице 1. Трехчастотная посылка передается с получения сигнала подтверждения вызова (СПВ) частотой 2295 Гц (Т2-Т4), но не более чем 6 с, если СПВ не получен в течение 6 с, формируется сигнал «отбоя» с частотой 2363Гц и длительностью не менее 2 с и канал выключается.

Рисунок 5 — Временная диаграмма входящего вызова

Таблица 1

Соответствие частот индивидуальным номерам

Во время передачи 3-х частотной посылки ИВ СКС ожидает приема 2-х частотных посылок АОН ТЗ-Т4 и сразу за ними сигнала «подтверждения вызова» частотой 2295 Гц Т4-Т5. Номер АОН совпадает с индивидуальным номером абонентской радиостанции. Каждая цифра номера передается 2-х частотной посылкой длительностью (0,5±0,05)с и паузой между посылками (0,25±0,025)с. Соответствие частот цифрам номера приведено в таблице 2.

Таблица 2

Соответствие частот цифрам номера

Если принятый номер АОН не совпал с номером избирательного вызова, формируется сигнал «отбоя» частотой 2363 Гц и длительностью не менее 2 с и канал выключается.

При совпадении номера АОН и избирательного вызова ожидается сигнал «подтверждения вызова» (СПВ), частотой 2295 Гц.

При получении СПВ (Т4) избирательный вызов снимается и передаются сигналы «посылки вызова» длительностью 1 с и паузой 3 с.

Сигналы посылки вызова передаются до окончания СПВ Т4-Т5, но не более 1 мин. Если СПВ не прекратится за 1 мин, формируется сигнал «отбоя» частотой 2363 Гц и длительностью не менее 2 с и канал выключается. После прекращения сигнала подтверждения вызова (радиоабонент снял трубку) производится занятие абонентской линии, и она подключается на соответствующий канал, происходит разговор.

Рассмотрим подробнее исходящие соединения:

При исходящем соединении на одном из свободных каналов на линии передачи СКС формирует маркерный сигнал (МС), частота 2397 Гц. При получении сигнала «занятие канала» (СЗК), частота 2295 ГЦ, стойка коммутации и сопряжения снимает маркерный сигнал Т₁ и ожидает приема 2-х частотных посылок автоматического опознания номера (АОН) Т₂-Т₃. Временные диаграммы исходящего вызова представлены на рисунке 6.

Т₁ Т₂ Т₃ T₄ Т₅ Т₆

Рисунок 6 — Временные диаграммы исходящего вызова

Номер АОН передается как при входящем вызове, изложенном ранее. Если ожидаемый номер не принят в течение 3 с, принят неправильно или не соответствует зарегистрированному в системе, СКС формирует сигнал «отбоя» (СО) с частотой 2363 Гц и длительностью более 2 сканал выключается.

Если номер АОН принят правильно, то автоматика коммутирует канал на абонентскую линию, соответствующую данному индивидуальному номеру и производит занятие линии Т₃. При этом на линии передачи (ПРД) транслируется сигнал с соответствующей абонентской линии, а в абонентскую линию передается сигнал с линии приема ПРМ. После занятия линии АТС формируется сигнал «ответ станции» и ожидает набора номера. Цифры номера принимаются по линии ПРМ в виде 2-х частотных посылок Т5-Т6 в соответствии с таблицей 2. Длительность посылки (0,45−2,0)с паузой (0,225−4)с. Если в течение 20 с не будет принята первая цифра номера, СКС формирует сигнал «отбоя» с частотой 2363 Гц и длительностью не менее 2 с, канал выключается и производится отбой абоненткой линии. По мере приема цифр номера на АТС импульсным способом в паузах между передачей цифр номера транслируются все сигналы АТС. СКС позволяет передать до 20 цифр номера. При приеме 21-ой цифры формируется сигнал «отбоя» частотой 2363 Гц и длительностью не менее 2 с, канал выключается и производится отбой абонентской линии. После набора номера, СКС транслирует все сигналы от АТС к абоненту и обратно, т. е. абонент слышит сигнал «контроль посылки вызова» или «занято», а в случае снятия трубки вызываемого абонента происходит разговор.

Рассмотрим, как происходит отбой соединения:

Отбой соединения может произойти по одной из 3-х причин:

отбой со стороны радиоабонента;

отбой со стороны АТС;

окончание нормированного времени разговора.

Отбой со стороны радиоабонента производится в случае получения по линии ПРМ сигнала «отбоя», частотой 2363 Гц и длительностью не менее 1 с. В этом случае формируется сигнал отбоя частотой 2363 Гц и длительностью не менее 2с. Канал выключается и производится отбой абонентской линии.

Отбой со стороны АТС производится при получении от АТС сигнала «отбой» длительностью не менее 4 с. В этом случае формируется сигнал отбоя с частотой 2363 Гц и длительностью не менее 2 с. Канал выключается и производится отбой абонентской линии.

Отбой по окончании нормированного времени разговора происходит по истечении заданного времени разговора, передается сигнал «предупреждения» частотой 1400 Гц и длительностью 1с. Через 20 с после сигнала «предупреждения» формируется сигнал «отбоя» с частотой 2363 Гц и длительностью не менее 2 с — канал выключается и производится отбой абонентской линии.

1.5 Выбор структурной схемы абонентской радиостанции

Абонентская радиостанция (пользовательский интерфейсный блок) состоит из приемопередающего блока, антенны, антенного фильтра, телефонной розетки и источника электропитания.

Основными требованиями при разработке абонентской радиостанции должны быть: малый вес, малые габариты и экономичность источника питания. В связи с бурным развитием сотовой связи нет необходимости завышать технические требования к системе WLL и абонентской радиостанции с целью обеспечения связи с удаленными абонентами, достаточно ограничиться наибольшими расстояниями между абонентами и местной АТС, которое на территории Республики Беларусь не превышает 20−25 км.

Структурная схема абонентской радиостанции объединяет структурные схемы передающего, приемного устройств и устройства синтезатора частоты.

1.5.1 Радиопередающее устройство

Радиопередающее устройство (РПдУ) предназначено для преобразования энергии источника питания в энергию высокочастотных колебаний и управления параметрами этих колебаний в соответствии с методами, используемыми в данной радиостанции.

В связи с этим любое РПдУ должно состоять из следующих основных частей:

— источника питания;

— генератора, преобразующего энергию источника питания в энергию высокочастотных колебаний;

— модулятора, предназначенного для управления высокочастотными колебаниями.

В радиосвязи используются передающие устройства, работающие в режиме непрерывного излучения с частотной модуляцией передаваемых колебаний.

РПдУ, в которых применены генераторы с внешним возбуждением, строятся по многокаскадной схеме. В качестве возбудителя используется маломощный задающий генератор, вырабатывающий высокочастотные колебания, частота которых либо соответствует частоте выходных колебаний радиопередающего устройства, либо ниже ее в кратное число раз. В первом случае возбудитель может совмещаться с модулятором с последующим усилением промодулированных колебаний, а во втором случае применяются каскады умножителя частоты.

Передающие устройства радиосвязи могут использовать оба метода.

Поскольку возбудитель является обычно маломощным каскадом, работающим на низких частотах и на постоянную нагрузку (на буферный каскад), можно достаточно просто стабилизировать частоту генерируемых колебаний.

Задачей умножителей частоты является повышение частоты, генерируемой задающим генератором до нужного значения выходной частоты.

Частотная и фазная модуляции могут осуществляться как в возбудителе, так и в промежуточных каскадах при помощи специальных схем.

Один из вариантов структурной схемы РПУ с частотной модуляцией возбудителя (задающего генератора) представлен на рисунке 7:

Рисунок 7 — Схема электрическая структурная радиопередающего устройства

Основные характеристики РПдУ:

— излучаемая мощность;

— частота генерируемых колебаний;

— стабильность частоты генерируемых колебаний;

— амплитудная характеристика ;

— частотная характеристика ;

— фазовая характеристика ;

— коэффициент полезного действия, где , — излучаемая и мощность потребляемая от источника питания соответственно.

1.5.2 Радиоприемные устройства

Радиоприемные устройства (РПрУ) предназначаются для выделения, усиления и преобразования энергии радиоволн к виду, необходимому для нормальной работы оконечного устройства, являющегося потребителем этой преобразованной энергии.

В зависимости от назначения в состав РПрУ входят:

— переключатели приема-передачи и схемы защиты приемника от воздействия мощных сигналов передающего устройства;

— преселекторы;

— усилители сигналов СВЧ;

— преобразователи частоты;

— амплитудные, частотные и фазовые детекторы;

— гетеродины;

— схемы автоматической подстройки частоты гетеродинов;

— схемы автоматической регулировки усиления и др.

РПрУ радиостанций связи строятся по супергетеродинным схемам с малошумящими усилителями высокой частоты и двухкратным преобразованием частоты, последнее условия позволяет создать высокоизбирательные системы с узкой полосой пропускания. Типовая структурная схема приемника радиостанции приведена на рисунке 8.

Основными характеристиками радиоприемных устройств являются: чувствительность, диапазон принимаемых частот, полоса пропускания, динамический диапазон, выходная мощность или выходное напряжение и др. Для исключения влияния соединительного фидера на чувствительность приемника УВЧ располагаем непосредственно на антенне.

1.6 Принцип работы радиопередающего устройства

Передающий блок также выполняем из двух частей — усилителя мощности, расположенного на антенне, и формирователя передаваемого сигнала с синтезатором частот в универсальной телефонной розетке (УТР), которую конструктивно размещаем в телефонном аппарате.

Такое построение ППУ обеспечивает более высокую чувствительность приемника и исключает облучение абонента, пользующегося радиотелефоном. Структурная схема абонентской радиостанции (пользовательского интерфейса) представлена на рисунке 9.

Рисунок 8 — Схема электрическая структурная радиоприемного устройства

Функциональные схемы передатчиков определяются предъявленными к ним техническими требованиями — рабочей частотой, выходной мощностью, стабильностью частоты и т. д. Наиболее просто обе основные функции радиопередатчика — генерация электромагнитных колебаний и их модуляция реализуется в том случае, когда не требуется высокая стабильность частоты и выходная мощность относительно невелики. В большинстве случаев требования по стабильности частоты и выходной мощности не могут быть обеспечены применением одного генератора.

В современных радиопередатчиках функции генерирования высокочастотных колебаний и получения требуемой выходной мощности разделены. Условно радиопередатчик может быть, представлен в виде двух блоков блока формирования частоты, или возбудителя, и блока формирования выходной мощности, или мощного усилителя. При этом частотная и фазовая модуляция — в мощном усилителе.

Рисунок 9 — Упрощенная структурная схема пользовательского интерфейса

Возбудители передатчиков. Основным элементом возбудителя является высокостабильный генератор. Кроме того, в него могут быть включены каскады усиления, умножители частоты, элементы системы автоматической подстройки частоты.

Выходную мощность радиопередатчиков формируют каскады усилителей мощности. В случае, когда она может быть получена с помощью одиночного прибора, применяют системы покаскадного наращивания мощности на транзисторах.

Часто требуемая выходная мощность передатчика превышает мощность одиночного прибора. В этом случае необходимо суммировать мощности отдельных усилительных каскадов. Возможны два способа сложения мощностей: с помощью сумматоров и предварительных делителей мощности и с помощью активных фазированных антенных решеток (АФАР), при этом суммирование мощности происходит в пространстве.

Из приведенных функциональных схем видно, что основными каскадами радиопередатчиков являются: автогенератор, усилитель мощности, умножитель частоты, модулятор.

К особенностям современных радиопередатчиков относятся:

1. Использование нелинейных режимов работы полупроводниковых приборов;

2. Отсутствие регулировочных элементов для регулировок в процессе эксплуатации;

3. Создание широкополосных и сверхширокополосных усилителей мощности;

4. Широкое применение устройств суммирования мощности;

5. Конструирование каскадов в виде гибридных интегральных схем.

1.7 Принцип работы абонентской радиостанции

Радиоприемное устройство супергетеродинного типа с двухкратным преобразованием частоты все время находится в дежурном режиме и принимает сигналы с центральной радиостанции на частоте 336,3 МГц. Чувствительность радиоприемного устройства 1 мкВ, полоса пропускания около 10кГц и определяется полосой пропускания полосового фильтра интегральной микросхемы, с центрально несущей частотой =465 кГц. Частота сигнала на выходе первого смесителя = 10,7 МГц. Эта частота является центральной для интегральной микросхемы К174ХА26.

Частотный детектор выделяет спектр звуковых частот, принятых в проводной телефонии кГц, усиливает их до амплитуды выходного сигнала 450мВ, достаточного для работы микротелефона.

Для получения частоты =465 кГц на смеситель СМ2 поступает сигнал от усилителя промежуточной частоты =10,7 МГц и сигнал когерентного гетеродина (G3) частотой 10,235 МГц.

Передающее устройство включает в себя генератор-модулятор (GUB), смеситель, на выходе которого получаем моделируемый сигнал 300,3 МГц с девиацией частоты 3,4 кГц, УВЧ — усиливает этот сигнал и через полосовой фильтр поступает на предварительный усилитель мощности ПУМ, с выхода которого поступает в антенный усилитель мощности. Разделение принимаемого сигнала, частотой 336,3 МГц, и передающего сигнала, частотой 300,3 МГц производится в антенном фильтре.

Генератор-модулятор обеспечивает стабильную частоту 30,3 МГц за счет подстройки под частоту задающего генератора G2. Процесс подстройки частоты генератора — модулятора производится в частотно-фазовом детекторе (ЧД), на который поступают сигналы от когерентного гетеродина, через делитель частоты, частотой 1 МГц и генератора-модулятора (GUB), частотой 1 МГц. При равенстве частот сигнал ошибки с частотно-фазового детектора равен нулю, а при отклонении частоты генератора GUB в ту или иную сторону на выходе частотного генератора появляется сигнал ошибки такого знака, чтобы вернуть частоту генератора GUB к номинальному значению.

Физика работы схемы автоподстройки поясняется рисунком 10.

Колебания генератора-модулятора поступают на частотный модулятор со сдвигом относительно когерентного гетеродина G3 на. При равенстве частот сигнал ошибки на выходе частотного детектора. При и при АФ — антенный фильтр, обеспечивает работу передатчика и приемника на одну антенну;

Рисунок 10 — Эпюры напряжений на выходе фазачастотного детектора как функция разности частот G1 и G2

1.8 Выбор частотного диапазона системы WLL

При разработке радиостанции весьма важным моментом является обоснованный выбор ее рабочей частоты. Выбор рабочей длины волны осуществляется, прежде всего, с учетом условий распространения радиоволн, а именно степени затухания сигнала в среде (воздух, местность, морская вода и т. д.), дифракция сигнала, диффузного рассеяния в тропосфере и отражения или поглощения Земли. Кроме того, принимается во внимание связь между длинной волны и допустимыми размерами антенны. При выборе рабочей волны радиостанции следует также учитывать уровень так называемых внешних помех — атмосферных и индустриальных. Различают следующие диапазоны радиоволн: сублимиллиметровые, миллиметровые, сантиметровые, дециметровые, метровые, короткие, средние, длинные и сверхдлинные.

Весь практический диапазон волн уже давно распределен как внутри страны, так и в международном масштабе. Для системы WLL (удаленного доступа в телефонную сеть) выделены частоты 300,25…307,9875 и 336,325…343,9875 МГц с разносом частот на прием и передачу 36МГц. Шаг сетки частот 12,5 (25) кГц.

Диапазон выделенных частот соответствует длинноволновой части дециметрового диапазона.

Дециметровые волны в тропосфере практически не затухают, однако при прохождении ионосферных слоев они испытывают заметное поглощение. За счет рассеяния на турбулентных неоднородностях атмосферы в области тени имеется слабое поле, которое очень медленно уменьшается с расстоянием. Следовательно, при высокой чувствительности приемного устройства эти слабые сигналы могут быть приняты и использованы для практических целей.

1.9 Оценка дальности радиосвязи

Пусть радиостанция «А» работает на передачу информации, а радиостанция «В» работает на прием прямого сигнала, передаваемого станций «А» (рисунок 11). Радиостанция включает три звена. Перове звено — передающее устройство радиостанции"А", характеризуемое параметрами:

Р_ng — мощность передатчика, Вт;

— КПД антенно-фидерного тракта;

— коэффициент направленного действия передающей антенны;

— диаграмма направленности передающей антенны по мощности;

— длина радиоволны:

Второе звено — передаточное звено, включающее в себя атмосферу, в которой распространяется электромагнитная энергия. Параметрами данного звена будут:

Д — расстояние между точками, А и В (излучения и приема);

— километрическое затухание радиоволн в среде, дБ/км.

Третье звено — приемное устройство, характеризуемое параметрами:

G_пр — коэффициент направленного действия приемной антенны;

— КПД антенно-фидерного тракта. При использовании одной антенны на прием и передачу ;

— реальная чувствительность приемного устройства радиостанции «В», Вт;

Рисунок 11 — Схема линии радиосвязи

км (1)

Дальность радиосвязи может быть определена по формуле:

(2)

Уравнение (2) трансцендентно. Поэтому искомую максимальную дальность радиосвязи определяют методом приближений или графоаналитическим методом. Сущность метода приближений заключается в подборе таких значения Д, при которых удовлетворяется равенство (2). Для ускорения инженерных расчетов в приведена номограмма (рисунок IV.4) зависимости Д от коэффициента и, отражающая зависимость. Входными данными для этой номограммы являются коэффициент затухания (дБ/км) и дальность действия, рассчитанная для свободного пространства без учета затухания энергии в атмосфере.

Для расчета технических параметров проектируемой радиостанции учитываем необходимую дальность радиосвязи км и технические характеристики применяемых радиостанций. Так одна из первых радиостанций, выпускаемых в РБ имела следующие параметры: излучаемая мощность передающим устройством 8−15 Вт, чувствительность приемного устройства 1 мкВ, дальность радиосвязи Д=25…70 км с подвижными и стационарными абонентами соответственно.

Более поздние разработки Российской Федерации «Ритал-300м», «Ритал-300м2» и «Ритал-мульти» имеют значительно меньшую мощность излучения Р_ng=1−1,5 Вт, чувствительность приемного устройства пр=0,16 мкВ при отношении сигнал/шум — 12 дБ.

Приняв чувствительность приемного устройства =0,15 мкВ и дальность радиосвязи =50 км по формуле (2) находим мощность, излучаемую передающим устройством:

(3)

G — коэффициент усиления приемопередающей антенны. Обычно антенны радиостанций связи обладают небольшими G, не превышающими 10.

КПД антенно-фидерных трактов находятся в пределах. При размещении высокочастотного блока радиостанции непосредственно на антенне КПД несколько повышается и составляет 0,9−0,95.

— длина волны излучаемых и принимаемых колебаний соответственно.

м

м

V — коэффициент затухания радиосигнала на дальней границе зоны видимости (Д_Г) равняется 18−20 дБ.

[км] (4)

Для расчета мощности излучаемого сигнала производится по формуле (3) без учета затухания в атмосфере, а затем с помощью графиков (рисунок IV.9[5]).

С учетом затухания в атмосфере и наихудших погодных условий (=0,1дБ/км) находим, что мощность излучения передатчиком должна рассчитываться на дальность радиосвязи в два раза больше заданной.

При высоте подъема передающей антенны центральной станции -25 м, находим высоту антенны абонентской радиостанции, которая позволит обеспечить дальность прямой видимости Д_Г = 50 км.

м

Принимаем =10 м.

Чтобы воспользоваться формулой (3) необходимо чувствительность приемника, заданную в вольтах пересчитать в ватты по формуле [6]:

Вт

где =50 Ом — волновое сопротивление соединительного фидера.

Поставив в формулу (3) значения величин, входящих в нее,, , дБ, =100 км (с учетом затухания в атмосфере), получим:

Вт

2. СХЕМОТЕХНИКА ПЕРЕДАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

2.1 Транзисторные автогенераторы

Транзисторные автогенераторы используются как автономные генераторы и как задающие генераторы многокаскадных передатчиков. Автономные автогенераторы на транзисторах применяются в основном в радиостанциях метрового и дециметрового диапазонов. В качестве задающих генераторов транзисторные автогенераторы используются для передатчиков всех диапазонов волн. Автогенераторы содержат обычно колебательную систему (один или два колебательных контура высокой добротности), нелинейный элемент (транзистор) и цепь обратной связи. Для того чтобы существовала генерация, амплитуда и фаза напряжения обратной связи должны быть нужной величины, определяемой уравнениями баланса амплитуд и фаз.

Условия существования станционного режима генерации, найденные на основе квазилинейного метода, т. е. без учета влияния высших гармоник на работу генератора имеют следующий вид [7]:

(5)

(6)

где Y₂₁ — средняя крутизна характеристики генераторного транзистора;

Z_k — сопротивление коллекторной нагрузки;

K — коэффициент обратной связи, К'=(К — Д);

Д — проницаемость транзистора;

— угол запаздывания первой гармоники коллекторного тока относительно управляемого напряжения;

— угол запаздывания коллекторного напряжения, взятого с обратным знаком относительно первой гармоники тока коллектора.

— угол запаздывания управляющего напряжения относительно тока коллектора, взятого с обратным знаком;

Уравнение (5) называется условием баланса амплитуд и определяет амплитуду генерируемых колебаний; Уравнение (6) называется условием баланса фаз и определяет частоту этих колебаний.

Выполнение этих условий является необходимым, но недостаточным для существования установившегося режима автогенерации. Должно выполняться условие устойчивости режима, т. е. небольшие изменения параметров схемы или амплитуды колебаний не должны выводить схему из установившегося режима автогенерации. [7]

Условие устойчивости режима автогенерации по амплитуде

<0.(7)

Условие устойчивости режима по частоте

.(8)

На рисунке 12 представлена эквивалентная схема автогенератора с емкостной обратной, а на рисунке 13 — автогенератора с индуктивной обратной связью.

В схеме (рисунок 12) напряжение обратной связи снимается с емкости С1, а в схеме (рисунок 12) с индуктивности L1. Перекрещивание проводов обеспечивает фазу, необходимую для создания положительной обратной связи. Для получения высокостабильных колебаний предпочтительна схема с емкостной обратной связью. Напряжение U_у и U_a здесь снимается с емкостей, сопротивление которых, как известно, падают с ростом частоты. В результате содержание высоких гармоник в напряжениях U_у(t) и U_a(t) в схеме (рисунок 12) существенно меньше, чем в схеме (рисунок 13). Для снижения уровня гармоник в схеме с индуктивной обратной связью индуктивности обычно шунтируются дополнительными емкостями. Таким образом, схема (рисунок 13) справедлива лишь на основной частоте колебаний.

Рисунок 12 — Схема автогенератора с емкостной обратной связью (а) и ее более компактное изображение (б)

Рисунок 13 — Схема автогенератора с индуктивной обратной связью (а) и ее более компактное изображение (б)

2.2 Транзисторные автогенераторы с кварцевой стабилизацией

Структурная схема кварцевого автогенератора на биполярном и полевом транзисторе изображена на рисунке 14.

Назначение согласующей цепи:

— создание обратной связи;

— обеспечение оптимального режима АЭ, т. е. трансформации сопротивлений кварцевого резонатора и нагрузки в оптимальное сопротивление R_к на выходе АЭ;

— преобразование последовательного резонанса кварца в параллельный резонанс на выходных электродах АЭ, имеющего динамическую выходную характеристику (ВАХ) — N — типа, для обеспечения устойчивости стационарного режима;

— селекция механических гармоник кварцевого резонатора.

Рисунок 14 — Структурная схема кварцевого автогенератора

Желательно, чтобы колебания существовали только при наличии кварцевого резонатора и отсутствовали при его отключении или выходе из строя. Согласующая цепь должна удовлетворять и этому требованию.

2.3 Транзисторный автогенератор, работающий на основной частоте

Согласующая цепь транзисторного кварцевого генератора является колебательный контур, настроенный на частоту, близкую рабочей гармонике кварца. В простейшей схеме кварцевого генератора применяется отрицательная обратная связь (емкостная трехточка) и кварцевый резонатор включенный последовательно в контур, играет роль индуктивности (рисунок 15). Колебания здесь возбуждаются на частоте несколько большей частоты основного последовательного резонанса кварца.

Чтобы эквивалентная индуктивность кварцевого резонатора не была шунтирована емкостью С₀ (емкость кварца), необходимо выполнить неравенства: .

Рисунок 15 — Упрощенные схемы кварцевых автогенераторов, при работе на основной частоте кварцевого резонатора (а) и на механической гармонике кварца (б)

Учитывая условия резонанса, где, запишем или .

На практике принимают .

На частотах, существенно отличающихся от и)., кварцевый резонатор эквивалентен емкости С₀ и возбуждение паразитных колебаний невозможно.

2.4 Транзисторный автогенератор, работающий на гармонике кварца

Чтобы автогенератор устойчиво возбуждался на механической гармонике кварцевого резонатора, необходимо принять меры, препятствующие генерации на основной частоте кварца. С этой целью можно применить схему автогенератора, изображенную на рисунке 16.

Индуктивность L выбирают таким образом, чтобы на частоте генерации схема представляла собой емкостную трехточку, а на более низких гармониках не выполнялось одно из условий существования устойчивых автоколебаний, например баланс фаз.

Для этого резонансная частота контура LC2 должна удовлетворять соотношениям .

а) б)

Для возбуждения колебаний на частоте эквивалентная емкость контура LC2 на настраивается на эту частоту.

Простейшая электрическая схема кварцевого автогенератора на биполярном транзисторе (рисунок 16, а) соответствует упрощенной схеме (рисунок 15, а). Колебательная система здесь образована кварцевой пластиной, играющей роль индуктивности и конденсаторами C1, C2. Резисторы R1, R2 образуют делитель напряжения для подачи постоянного смещения на базу, R_см — резистор автосмещения, конденсатор С_бл2 — блокировочный. Источник питания E_n блокируется от токов высокой частоты емкостью С_бл1 и сопротивления R_бл. Конденсатор С_св обеспечивает оптимальную связь с нагрузкой. Поскольку в рассматриваемой схеме нет корректирующей цепочки, для исключения влияния инерционности транзистора на стабильность частоты следует выбирать транзистор, у которого, где — частота генерации.

На рисунке 16, б изображена схема транзисторного автогенератора, предназначенного для возбуждения колебаний на механической гармонике кварца, соответствующая рисунку 15, б. Точная настройка на требуемую частоту осуществляется с помощью подстроечного конденсатора СЗ. Для упрощения конструкции, при использовании подстроечного конденсатора с заземленным корпусом, коллектор транзистора по высокой частоте имеет нулевой потенциал относительно земли. При этом исключается необходимость применения блокировочного сопротивления или индуктивности в цепи питания.

Колебательная система, образованная кварцем, емкости CI-C3 и индуктивностью L, препятствует возбуждению колебаний на более низких механических гармониках кварца. Цепочка R_кор, С_кор — корректирующая.

Рассмотренные схемы кварцевых автогенераторов на транзисторах являются типичными и позволяют получить высокую стабильность частоты.

2.5 Кварцевые автогенераторы на интегральных микросхемах

В настоящее время находят широкое применение кварцевые автогенераторы на интегральных микросхемах (ИМСх). Они могут быть построены на основе емкостной трехточечной схемы с кварцевым резонатором (рисунок 15, а) — для генерации на основной частоте либо для генерации на механических гармониках. Достоинством емкостной схемы является минимальное число индуктивностей. В качестве автогенераторов могут быть применены универсальные микросхемы. Например, на рисунке 17 представлена электрическая схема генератора на гибридной линейно-импульсной микросхеме К2УС249. Схема автогенератора почти такая же, как и на рисунке 16, а, но при изготовлении она менее трудоемкая, поскольку здесь меньше дискретных элементов. Еще больше снижаются габариты и упрощается монтаж при изготовлении в виде микросхемы всего автогенератора, за исключением кварцевого резонатора.

Наибольшая плотность компоновки достигается, выполняя автогенератор на кварцевой подложке [3], совмещая кварцевый резонатор с другими элементами. Например, при размере кварцевой пластины 16×12×0,208 с использованием бескорпусного транзистора КТ 2325А получен автогенератор с частотой колебаний 8 МГц.

Рисунок 17 — Принципиальная электрическая схема кварцевого автогенератора на ИС

2.6 Методы управления несущим высокочастотным сигналом