Вопросы создания программируемых тактических радиостанций
ВИНИТИ
Серия «ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА РАЗВЕДЫВАТЕЛЬНЫХ СЛУЖБ ЗАРУБЕЖНЫХ ГОСУДАРСТВ»
№11/2004, стр.8-1
Вопросы создания программируемых тактических радиостанций
Как отмечается в журнале Military Technology, в настоящее время тен-денцией в конструировании тактических радиостанций с питанием от ба-тареек является их программирование и компоновка в небольшой и легкий корпус. Для создания такой системы радиоаппаратура должна обеспечить дополнительное частотное перекрытие, более высокие скорости передачи ин-формации, более быструю смену частот и одновременную работу в много-канальном режиме. Такие характеристики необходимо обеспечить при по-стоянном сокращении объема радиостанции с сохранением или улучшением характеристик прежних радиосистем. Кроме того, аппаратура должна обес-печивать высокую прочность, высокую надежность и длительное использо-вание батареек питания, которые необходимы пользователям, находящимся во враждебной обстановке.
Эти конструктивные требования предоставляют инженерам-радиокон-структорам возможность использовать имеющиеся и будущие технологии.
Существующие многодиапазонные тактические радиостанции работают в полосе частот от 2 до 512 МГц. Радиостанции следующего поколения на-целены на перекрытие полосы от 2 до 2000 МГц и выше, на использование форм сигналов, обеспечивающих высокую скорость передачи данных в менее загруженных диапазонах частот. Указанные частоты использовались для передачи данных многие десятилетия, но объединение всех этих диапазонов частот в одном небольшом с батарейным питанием устройстве является от-носительно новой технологической сферой. Каждая полоса частот обладает уникальными характеристиками.
При работе в высокочастотном диапазоне обычно используются частоты 1,6-30 МГц, обеспечивая дальнюю связь при минимальной инфраструктуре. Несмотря на длительное использование диапазона, он продолжает использо-ваться для связи. Для обеспечения дальней связи обычно требуются мощные усилители, антенны и ассоциированные антенные согласующие элементы, которые становятся проблемой в мобильных, тактических условиях, в кото-рых большие антенны представляют цели, а мощные усилители непрактич-ны для питания от батарейных источников.
Одним из решений является создание такой возможности на системном уровне ("jerk-and-run"), позволяющей подключать маломощные ВЧ сред-ства связи к транспортной системе. Такая возможность обеспечит связь на средних дальностях при батарейном питании и на больших дальностях при совместной работе с транспортной системой. Это один из примеров, когда совместимость портативных и транспортируемых радиостанций является значительной выгодой для конечного пользователя.
Дальняя связь на ВЧ означает, что принимаемый сигнал сопровожда-ется нежелательными сигналами, из которых часть исходит от ближних мощных передатчиков. Эти проблемы совместного расположения обычно разрешаются с помощью фильтров с крутым срезом, ослабляющих внеполосные сигналы и с помощью специальных входных схем, которые могут обеспечить работу при высоких интерференционных помехах в рабочей по-лосе частот. Поступиться несколькими децибеллами приемного шума для достижения лучшей совместимости разумно в отношении ВЧ радиостанций, учитывая, что спектр содержит относительно высокий фоновый шум, кото-рый определяет нижнее значение чувствительности, в противоположность более низким уровням таких шумов в диапазонах более высоких частот.
На режим передачи в ВЧ диапазоне регулирующими документами, как, например, MIL-STD-188-141B4, накладываются строгие ограничения на спектральные характеристики. Использование узкой информационной поло-сы (часто шириной 3 кГц) диктует использование узкополосных фильтров промежуточной частоты и синтезированных полос обратной связи с целью обеспечения того, чтобы по передающему шуму, ложным и гармоническим характеристикам мощные передатчики были совместимы с чувствительны-ми приемниками радиостанций, работающих и диапазонах ВЧ, ОВЧ и УВЧ.
ОВЧ радиостанции обычно работают на частотах 30 225 МГц, которые пригодны для связи на средних дальностях, требующих менее габаритных антенн, согласующих элементов, менее мощных усилителей, по сравнению с радиостанциями ВЧ диапазона.
В диапазоне ОВЧ используется более широкая полоса (до 25 кГц) с тем, чтобы обеспечить более высокие скорости передачи данных. Более высокие скорости передачи и гибкость перестройки частоты, ассоциируемые с ОВЧ сигналами, позволяют конструировать более широкие фильтры и синтези-рованные полосы, чем в диапазоне ВЧ. Однако проблемы совместимости в этом довольно загруженном диапазоне также значительны. Для фильтрации нежелательных сигналов часто используются внешние устройства. Конеч-но пользователи оборудования с батарейным питанием редко имеют воз-можность нести дополнительные устройства и они требуют, чтобы радио-станция сама обеспечивала оптимальный вариант внеполосной фильтрации, полосового перехвата и низкой шумности в портативном варианте.
Поддержка управления воздушным движением (АТС) в диапазоне ОВЧ требует линейной передачи и жесткого контроля за спектром для обеспече-ния критически важной операции. Такие условия требуют применения уси-лителей А-класса, которые обеспечивают линейность за счет снижения эф-фективности. Такое решение является главной причиной сокращения срока работы батарейного питания во всех, кроме кратковременных циклических передач. Оптимальная конструкция будет обеспечена при использовании од-ного из нескольких способов переключения режима работы для обеспечения эффективной работы усилителя, управляемого таким образом, что получа-ется линейный результат. Очень часто такие схемы хорошо работают при использовании одной частоты, но хуже в широкополосном режиме. Это одна из многих сфер, в которых может быть использована цифровая обработка сигнала (DSP) для оптимизации схемных решений при функционировании в различных условиях (с точки зрения частоты, напряжения питания, на-грузки, температурных изменений).
Для УВЧ диапазона (225 512 МГц) характерны другие проблемы, свя-занные с вопросами связи в пределах прямой видимости и со спутниковой связью. Характеристики распространения этих частот при различных по-годных условиях, через листву и другие преграды делают спутниковую связь незаменимой в диапазоне УВЧ. В спутниковой связи используются направленные антенны с целью обеспечения более высокого усиления и тем самым обеспечиваются более высокие скорости передачи данных как в пере-дающих, так и в приемных линиях. Стандарт MIL-STD-188-181B приводит необходимые расчеты, которые указывают на необходимость использования большей передающей мощности и меньшего уровня шумов, чем требуют другие формы сигнала, для того, чтобы иметь небольшого размера антен-ну, необходимую для проведения тактических операций. Одним из решений является наличие антенны, оборудованной логарифмическими узкополосными/малошумящими усилителями (LNA) для достижения требуемой допол-нительной чувствительности.
При связях на расстояниях прямой видимости диапазон УВЧ обеспечи-вает широкие информационные полосы, которые необходимы для высоких скоростей передачи. Аппаратурная полоса пропускания при этом составля-ет несколько мегагерц, в противоположность узкополосным промежуточным ступеням. Оборудование, предназначенное для широкополосного формата, уже используется несколько лет. Новой задачей является размещение как узкополосной, так и широкополосной форм сигналов в единую, небольшую, питаемую от батареи радиостанцию.
Для максимизации пропускной способности при передаче данных аппа-ратура должна обеспечивать быстрое переключение с передачи на прием и высокую скорость скачкообразного изменения частоты для гибкости приме-нения, что вызывает необходимость разработки быстрых переключающих устройств и синтезаторов с высокими техническими характеристиками.
Добавление диапазона 512-2000 МГц не является большим с точки зре-ния количества частотных октав, но представляет собой переход от группо-вого элементного конструирования (часто используемого на низких часто-тах) к распределенному конструированию. В этом диапазоне широко исполь-зуются радиочастотные интегральные схемы (RFIC), которые обеспечивают размещение в небольших объемах.
Взятая в целом радиоаппаратура, которая охватывает весь диапазон ча-стот от 2 до 2000 МГц, должна быть чрезвычайно гибкой. Одна из воз-можных конструкций обеспечивает полосную гибкость в форме прямой мо-дуляции и демодуляции. При этом используется цифровая обработка сиг-нала (DSP) для фильтрации, модуляции и демодуляции. Возможно, прием-ный тракт пройдет через преселектор, который обеспечит предварительную фильтрацию, затем прямо демодулируется в сигналы полос "I" и "Q", где фильтрование с переменной полосой на базе цифровой обработки сигнала (ЦОС) устранит нежелательные интерференции и продукты микширова-ния. Недостатком такого подхода является то, что все сигналы в полосе преселектора достигают устройства ЦОС и это значит, все схемы в сиг-нальном тракте должны иметь дело с большим количеством интерферен-ционных сигналов, а это при определенных условиях снижает значительно жизненный цикл батарейного источника. Кроме того, фильтрование с помо-щью ЦОС для удовлетворения необходимых требований может повлечь за собой необходимость существенной обрабатывающей/компьютерной мощно-сти и более высокой синхронизации, требующей дополнительной мощности от источника. Наконец, перспектива дискриминации/селекции очень слабого полезного сигнала из очень больших источников помех может потребовать аналого-цифровых преобразователей длительности битов, которые в настоя-щее время не могут обеспечить требуемые скорости передачи. Аналогичные соображения должны касаться и режима передачи, хотя предварительное знание уровня ожидаемого сигнала в какой-то мере упрощает ситуацию.
В конечном итоге будущие технологии могут упростить эти проблемы. Аналого-цифровые преобразователи с большой разрядностью снизят нагруз-ку на аппаратуру, обеспечивающую автоматическое усиление принимаемого сигнала (AGG) и входную фильтрацию.
Процессоры с меньшим удельным потреблением мощности снижают тре-бования к батарейным источникам. В режиме передачи более скоростные прямые цифровые синтезаторы (DDS) уже имеются и они через какое-то время смогут обеспечить малошумящее прямое преобразование.
В коммерческой сфере начинают появляться микроэлектромеханические системы (MEMS), которые в перспективе смогут обеспечить высокий по-казатель перехвата/приемы, низкие потери, вносимые входными каскадами приемника.
Более консервативный подход предусматривает разбивку конструкции на два или более диапазонов, при этом каждый принимаемый сигнал диапа-зона проходит через свой оптимизированный тракт приема (преселекторы, полосовые фильтры и синтезаторы). В некоторых случаях один тракт может быть обычной конструкции с фильтрованием по промежуточной частоте для удовлетворения прежних требований, а другой для использования в новых диапазонах и для новых форм сигналов с различными альтернативами. Су-ществует много вариаций, которые имеют свои достоинства и недостатки, и которые должен сбалансировать радиоконструктор.
Остаточным преимуществом диапазонного подхода является то, что в настоящее время многие компоненты не обеспечивают полного перекры-тия диапазона 2-2000 МГц, по крайней мере, без ущерба для некоторых характеристик. Примером этому являются усилители мощности и антен-ные системы. Будущий технологический процесс в этих областях поможет увеличить объем показателей/характеристик каждой радиостанции.
С рассмотрением вариантов диапазонных и охватывающих весь диа-пазон конструкций радиостанций связаны аспекты многоканальности но-вых требований к ним. Например, передающий канал мощностью 20 Вт потребует значительной изоляции, с тем чтобы не оказывать воздействие на приемную чувствительность равную минус 120 дБ относительно 1 мВт (дБм). Вынесение антенны портативной радиостанции может обеспечить лишь незначительное решение в отношении требуемой изоляции. Приемле-мый широкополосный передающий минимальный шум - 150 дБ по шкале "С" шумомера на 1 Гц (дБс/Гц), отстоящий на много мегагерц от частоты передачи, в сочетании с наихудшим вариантом изоляции антенны, может все же быть достаточным для того, чтобы воздействовать на принимаемый сиг-нал. Выбор положения передающей антенны будет, вероятно, необходим для обеспечения приемлемых условий, если передача и прием ведутся в одном и том же диапазоне. Аналогичным образом, требуется жесткая преселекция для предотвращения перегрузки первых каскадов приемника.
Ситуация улучшается с разделением частот приемного и передающего каналов, оставляя перспективу передачи в одном диапазоне частот, а приема в другом, такая цель наиболее легко достижима. Программное обеспечение может помочь практическому решению, исключая помехи, когда форма и характеристики передаваемого сигнала известны.
С электромеханической точки зрения многоканальная радиостанция по-лучит выгоды от независимых поставок источников, локализованного регу-лирования ключевых уровней напряжения, совершенствования технологии батарейных источников, новых систем охлаждения и существенной экрани-ровки между схемами, как механически, так и за счет использования печат-ных схем. Эти методы влияют на габариты и массу конечной продукции и заслуживают внимательного рассмотрения при исследовании компромисс-ных компановок.
Габариты и потребляемая мощность являются ключевыми факторами при выборе конструктивных решений, о которых говорилось выше. В ко-нечном итоге лучшим решением может быть совместимый комплекс но-симых, ручных, портативных, мобильных и стационарных радиостанций с программным обеспечением, обеспечивающим полное взаимодействие меж-ду ними. Разработка программного обеспечения будет ключевым фактором такой совместимости в условиях, когда военные программы в США вовлека-ют изготовителей радиостанций в эту сферу. Успех конечного пользователя, вероятно, придет в форме возможностей, которые воплощены в компановке радиостанции, требуемой для выполнения каждой операции.
Military Technology. - 2003,- № 10,- P. 62-64.
