Принципы построения приемной и передающей аппаратуры радиорелейных систем передачи

Приемопередающая аппаратура радиорелейных линий (РРЛ) является основным оборудованием каждой радиорелейной станции. Приемники современных радиорелейных систем передачи (РРСП) строятся, как правило, по супергетеродинной схеме. Пере­датчики многоканальных РРСП обычно строятся с преобразованием частоты, т.е. обеспечивают преобразование входного сигнала через ступень промежуточной частоты в СВЧ сигнал, который затем усиливается до номинальной мощности.

На оконечных станциях РРЛП происходит формирование высоко­частотного колебания с заданными мощностью, номинальной часто­той и модуляция этого колебания информационными сигналами соответствующей частоты. На оконечных станциях многоствольных РРСП формируются сигналы нескольких радиостволов. На оконечной станции имеется оконечная аппаратура ствола (телефонного или цифрового), состоящая из передающей и приемной частей. Поступающий на вход передающей части оконечной аппара­туры сигнал соответствующего ствола объединяется со вспомога­тельными сигналами и затем подается на модулятор, где происходит его преобразование в промежуточную частоту. Затем сигнал про­межуточной частоты, поступает на передатчик радиоствола, где и формируется высокочастотное колебание. Структурная схема пере­датчика радиоствола приведена на рисунке 1, где приняты следующие обозначения: f_пч - промежуточная частота (обычно равная 70 МГц); МУПЧ - мощный усилитель промежуточной частоты; См - смеситель (преобразователь промежуточной частоты в СВЧ сигнал); Г_пер - гетеродин передатчика (генератор сверхвысокочастотной несущей, необходимой для преобразования сигнала промежуточной частоты в полосу частот радиосигнала); ПФСВЧ - полосовой фильтр сверх­высокой частоты (радиосигнала); УСВЧ - усилитель сигнала СВЧ (радиосигнала). Модулированный входным сигналом сигнал проме­жуточной частоты после усиления смешивается в смесителе с высо­костабильным колебанием гетеродина f_r. ПФСВЧ выделяется частота f_пер, которая усиливается УСВЧ до требуемой мощности передачи. В радиосистемах малой мощности (менее 1 Вт) УСВЧ может не уста­навливаться.

Рисунок 1. Функциональная схема передатчика радиоствола

Приемник радиоствола (рисунок 2) состоит из малошумящего усили­теля сигнала СВЧ (МУСВЧ), на вход которого поступает СВЧ сигнал с частотой f_np; полосового фильтра сигнала СВЧ (ПФСВЧ), преобра­зователя частоты, в который, входят смеситель (См) и гетеродин приемника (Г_пр), и усилителя сигнала промежуточной частоты f_пч. Сигнал промежуточной частоты получается смешиванием сигнала с частотой f_np с высокостабильным колебанием f_r.

Рисунок 2. Функциональная схема приемника радиоствола

На вход передатчика сигнал поступает из тракта промежуточной частоты, а с выхода приемника сигнал поступает в тракт промежу­точной частоты.

На промежуточных станциях (ретрансляторах) соединение при­емника и передатчика происходит по промежуточной частоте. При необходимости выделения телевизионного сигнала на промежуточ­ной станции в состав приемопередающей аппаратуры входит демо­дулятор, который подключается к дополнительному выходу прием­ника на промежуточной частоте.

Тракты промежуточной частоты. В тракте промежуточной частоты гетеродинного приемопередатчика осуществляются следую­щие основные функции: автоматическая регулировка усиления, ком­пенсирующая изменения уровня принимаемого сигнала в среде рас­пространения радиоволн; корректирование искажений частотных характеристик, вносимых различными элементами трактов передачи; амплитудное ограничение ЧМ сигналов в системах с частотным уп­лотнением.

Тракт промежуточной частоты, входящий в состав гетеродинных ретрансляторов, используется для создания высокой избиратель­ности приемника при малых расстройках относительно границ полосы пропускания.

Качественными показателями тракта промежуточной частоты являются: амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и ее допус­тимая неравномерность; частотная характеристика группового времени запаздывания (ГВЗ) и ее допустимая неравномерность; неравномерность дифференциального усиления в полосе частот точной коррекции; степень согласования входов и выходов сигнала промежуточной частоты в приемопередающей аппаратуре.

Структурная схема типового тракта промежуточной частоты приемопередатчика РРЛ приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Структурная схема типового тракта промежуточной частоты РРЛ

Модулированный сигнал промежуточной частоты U_BX от смесите­ля приемника поступает на вход предварительного усилителя ПУс, далее сигнал обрабатывается полосовым фильтром ПФ и коррек­тором группового времени запаздывания Кор. ГВЗ. Для коррекции искажений группового времени запаздывания, вносимых ПФ, используется Кор ГВЗ ПФ. В главном усилителе ГУс осуществляется основное усиление сигнала и автоматическая регулировка усиления (АРУ), для чего часть сигнала с выхода ГУс ответвляется в ампли­тудный детектор АД, а затем на усилитель постоянного тока УПТ и с выхода фильтра нижних частот управляющий сигнал изменяет усиление ГУс. Таким образом, уровень сигнала промежуточной частоты на выходе главного усилителя поддерживается постоян­ным в достаточно большом диапазоне изменений уровня прини­маемого сигнала (в приемниках магистральных РРЛ достигает 46...50 дБ). Оконечный усилитель ОУс имеет два выхода, один из которых используется для подачи сигнала на вход передатчика (ретрансляция сигнала на промежуточную радиорелейную станцию ПРО), второй - для выделения сигнала промежуточной частоты на узловой радиорелейной станции УРС. Усилитель-ограничитель УО обычно устанавливается в РРЛ с частотным уплотнением и ЧМ, он подавляет паразитную амплитудную модуляцию. Мощный усили­тель МУ обеспечивает на входе смесителя передатчика необходи­мый уровень сигнала промежуточной частоты.

Особенности трактов промежуточной частоты цифровых РРЛ за­ключаются в разных требованиях к полосам пропускания и точности коррекции частотных характеристик тракта, а также в повышенном требовании к линейности амплитудной характеристики активных элементов этого тракта.

Нелинейные элементы тракта промежуточной частоты, такие как амплитудные ограничители, приводят к дополнительной потере помехоустойчивости цифровых РРЛ с квадратурной AM. Поэтому в приемопередатчиках цифровых РРЛ не используются амплитуд­ные ограничители, а для усилителей сигнала устанавливается линейный режим.

Рассмотрим принципы построения приемо­передающей аппаратуры промежуточных станций РРЛП. Приемо­передающая аппаратура промежуточных станций подразделяют на два основных вида: промежуточная станция с модуляцией и демо­дуляцией сигнала и промежуточная станция без модуляции и демодуляции. Приемопередающую аппаратуру промежуточных станций без модуляции и демодуляции сигнала в свою очередь можно подразделить в зависимости от метода образования гетеро­динных сигналов для приемника и передатчика на аппаратуру с общим гетеродином, отдельными гетеродинами, а также с пря­мым усилением на СВЧ.

Приемопередающая аппаратура с общим гетеродином. Уп­рощенная структурная схема приемопередающей аппаратуры этого типа приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Упрощенная схема приемопередающей аппаратуры с общим

гетеродином

Принимаемый сигнал с частотой через входной полосовой фильтр ПФ поступает на вход смесителя приемника СМ_ПМ. На смеситель приемника одновременно поступает гетеродинный сигнал с частотой . С выхода смесителя приемника сигнал промежуточной частоты (обычно 70 МГц) подается на усилитель промежуточной частоты приемника УПЧ_ПМ, где осуществляется основное усиление принимаемого сигнала. Усилитель имеет систе­му автоматической регулировки усиления (АРУ), благодаря чему уровень выходного сигнала остается почти неизменным при изме­нении уровня входного сигнала в широких пределах.

На оконечных и узловых станциях сигнал с выхода УПЧпм пода­ется на демодулятор Дм для выделения сигналов, передаваемых РРЛ. На промежуточных станциях сигнал с выхода УПЧпм поступает непосредственно на вход усилителя промежуточной частоты пере­датчика УПЧпд. Этот усилитель обеспечивает необходимое для работы смесителя передатчика СМпд значение мощности сигнала промежуточной частоты. В смесителе передатчика осуществляется преобразование сигнала промежуточной частоты в сигнал частоты СВЧ диапазона. Частота гетеродинного сигнала , поступаю­щего на смеситель передатчика, отличается от частоты на вели­чину промежуточной частоты. С помощью полосового фильтра боковой полосы ФБП производится выделение полезной боковой полосы частот (верхней В или нижней Н) на выходе смесителя передатчика. Сигнал с выхода ФБП подается на усилитель СВЧ (УСВЧ) и далее через систему направляющих фильтров поступает в антенну. На оконечных и узловых станциях на вход УПЧпд сигнал поступает от частотного модулятора ЧМд станции.

Как следует из схемы (см. рисунок 4), для работы приемопередатчи­ка необходимы два гетеродинных сигнала с частотами и . Эти сигналы образуются в гетеродинном тракте приемопередатчи­ка. Задающий генератор Г генерирует сигнал с частотой . Этот сигнал поступает на смеситель передатчика и одновременно на смеситель сдвига СМсдв. В этом смесителе частота преобра­зуется в частоту для чего на смеситель подается также сигнал с генератора сдвига . Номинальное значение частоты равно разности частот приема и передачи, которая должна соответство­вать плану распределения частот.

Образованный в смесителе сдвига гетеродинный сигнал частоты выделяется узкополосным фильтром ФУП и поступает на смеситель приемника СМпм.

При преобразовании частот в смесителе передатчика в случае < используется нижняя боковая полоса частот, а в случае > - верхняя боковая полоса частот. Комбинируя сочетания частот , , и возможно сформировать четыре вариан­та расстановки частот.

Приемопередающая аппаратура с отдельными гетероди­нами. В радиорелейной аппаратуре последних лет широко приме­няется схема приемопередающей аппаратуры с отдельными СВЧ гетеродинами для приемника и передатчика. Наличие отдельных гетеродинов делает работу приемника и передатчика независимой друг от друга. Это особенно удобно для оконечных станций, где приемник и передатчик работают в различных направлениях связи.

Упрощенная структурная схема приемопередающей аппаратуры с отдельными гетеродинами приведена на рисунок 5. Прямой тракт приемопередатчика (см. рисунок 5), включающий ПФ, СМпм, УПЧпм, УПЧпд, СМпд, ФБП и УСВЧ, в принципе ничем не отличаются от прямого тракта приемопередатчика с общим гетеродином, который был рассмотрен выше, и поэтому не требуется особых пояснений.

Для получения гетеродинных сигналов используются высокоста­бильные кварцевые генераторы ГКв и цепочка умножителей Умн с усилителями. Гетеродины приемника и передатчика построены одинаково. Различие их связано с тем, что от гетеродина передатчика требуется, большая мощность, чем от гетеродина приемника. Поэтому в гетеродинном тракте передатчика на входе умножителей применяются мощные усилители по сравнению с подводимыми мощностями в гетеродинном тракте приемника.

Рисунок 5. Упрощенная структурная схема приемопередающий аппаратуры с отдельнымгетеродином

Приемопередающая аппаратура с демодуляцией сигнала на каждой промежуточной станции. Радиорелейная аппаратура, в которой на каждой промежуточной станции производится демоду­ляция сигнала и последующая его модуляция, применяется на РРЛП малой и средней емкости, а также на телевизионных линиях малой протяженности и в частности на телевизионных передвижных радио­релейных станциях.

В подобной аппаратуре возможно выделение и введение сигна­лов части телефонных каналов на любой промежуточной станции, что важно для технологических РРЛ, обслуживающих газопроводы, нефтепроводы, железнодорожные линии.

Структурная схема одного из вариантов построения аппаратуры с демодуляцией на каждой станции приведена на рисунке 6. Назначе­ние ряда элементов схемы очевидно. Отличительной особенностью схемы является передатчик с фазовым модулятором. Сигнал от кварцевого задающего генератора ГКв поступает на фазовый моду­лятор ФМд, в котором производится модуляция сигнала по фазе, поступающего от задающего генератора. На входе ФМ_Д для преоб­разования фазовой модуляции в частотную включен частотный корректор ЧК, имеющий коэффициент передачи, обратно пропорциональный частоте модуляции. После ФМ_Д следует цепочка умно­жителей частоты. В процессе умножения частоты в n раз происхо­дит увеличении девиации частоты также в n раз, что позволяет иметь в фазовом модуляторе небольшие девиации фазы, что об­легчает получение необходимой линейности модуляционной харак­теристики. Как видно из рисунка 6, приемник построен по обычной супергетеродинной схеме.

Рисунок 6. Упрощенная структурная схема приемопередающей аппаратуры

Аппаратура промежуточной станции с прямым усилением на СВЧ. Аппаратура такой станции содержит только один СВЧ усилитель в каждом направлении связи, рисунок 7. Слабый сигнал, принятый антенной от предыдущей станции, через разделительный фильтр и усилитель поступает на пере­дающую антенну без изменения частоты. Подобная схема может приме­няться только при сравнительно небольшом усилении (40...50 дБ) из-за опасности возникновения генерации, вызванной недостаточной развязкой входа и выхода усилителя.

Рисунок 7. Упрощенная струк­турная схема аппаратуры с прямым усилением на СВЧ: а - без сдвига частот; б - со сдвигом частот

Более совершенная схема с прямым усилением приведена на рисунке 7, б,которая содержит два усилителя СВЧ. Один – УCBЧ₁ - работает на частоте . Затем в смесителе сдвига СМсдв частота сигнала преобразуется в и сигнал усиливается в УСВЧ₂. Помимо большего усиления, схема на рисунке 7, бпозволяет путем модуляций колебаний генератора сдвига вводить в ствол сигналы служебной связи (СС) и телесигнализации (ТС).

Схемы с прямым усилением на СВЧ потребляют значительно меньшую мощность, чем схемы с усилением на промежуточных частотах, что позво­ляет значительно упростить и удешевить промежуточную станцию РРЛ прямой видимости.

Схема организации цифрового ствола. Линейный цифровой сиг­нал (ЛЦС) формируется в цифровой системе передачи (ЦСП) и подает­ся на оконечную радиорелейную станцию (ОРС) для передачи по РРЛ. На рисунке 8 показана упрощенная схема цифровой радиорелейной систе­мы передачи (ЦРРСП). На вход согласующего устройства (СУ) пере­дающей части оконечной радиорелейной станции (ОРС) поступает ЛЦС, сформированный на основе импульсно-кодовой модуляции, дельта-модуляции или их разновидностей. В СУ обычно происходит преобразо­вание кода входного сигнала в униполярный код (0 – отсутствие импульса, 1 – импульс тока). Этот сигнал далее используют для манипуляции несущей частоты в модуляторе (М) пере­датчика, причем может использоваться как непосредственная модуля­ция, так и модуляция с преобразованием на промежуточной частоте. Модулированный СВЧ сигнал после соответствующей обработки и усиления УСВЧ через антенно-фидерный тракт (АФТ) поступает в передающую антенну.

Рисунок 8. Упрощенная структурная схема цифровой радиорелейной

системы передачи

На промежуточной станции сигнал, формируемый на выходе приемника (Пр), восстанавливается в регенераторе (Per), модули­рует несущую передатчика (Пер) и через АФТ подается в антенну.

На приемной стороне ОРС сигнал СВЧ из приемной антенны че­рез АФТ после фильтрации и усиления поступает в смеситель (СМ), где преобразуется в сигнал промежуточной частоты (ПЧ). В демо­дуляторе (ДМ) сигнал ПЧ преобразуется в цифровой униполярный сигнал, который затем преобразуется в цифровой униполярный сигнал и после преобразования в код соответствующей ЦСП через СУ поступает в приемную часть ЦСП или соответствующий линей­ный тракт проводной системы передачи.