Widmo rozproszone. Aamatorski projekt (część 2/2). Odbiornik
Spread Spectrum. Amateur project (part 2/2). Receiver

Transmisja dźwięku z wykorzystaniem widma rozproszonego.

Voice link over spread spectrum radio

  1. Opis działania projektu transmisji z widmem rozproszonym
  2. Nadajnik (format PDF)
  3. Odbiornik
  4. Zdjęcia
  1. Introduction
  2. Transmitter
  3. Receiver
  4. Photos

Opis działania odbiornika.

Aby odebrać sygnał

Rozproszenie widma sygnału oraz pseudolosowy jego charakter powodują, że w odbiornikach wąskopasmowych nastrojonych na używane przez nas pasmo wystąpi jedynie wzrost poziomu szumów. Trudno więc mówić o próbach ręcznego poszukiwania korespondenta. Siłą rzeczy odbiornik sygnałów z rozproszonym widmem jest złożoną konstrukcją. Strona odbiorcza musi znać:

  1. częstotliwość nośną
  2. wzór ciągu pseudolosowego (PN)
  3. częstotliwość taktującą generator PN
  4. dokładny moment początku generacji sekwencji PN
Odebranie właściwej częstotliwości (a) zapewnia odpowiedni zestaw rezonatorów kwarcowych w heterodynach odbiornika. Zbudowanie generatorów PN według identycznego schematu w odbiorniku i nadajniku zapewnia generację identycznych kodów PN (b) (generowanych według identycznego wzoru). Wstępne zestrojenie generatorów kwarcowych taktujących generatory PN w odbiorniku i nadajniku na identyczną częstotliwość (c).

Synchronizacja

Najtrudniejszym zagadnieniem w systemach z widmem rozproszonym jest synchronizacja generatorów PN w nadajniku i odbiorniku (d). Tylko wtedy możliwe jest skupienie (rozproszonego w nadajniku) widma. Możliwe jest kilka wariantów:

  1. nadawanie sekwencji PN dodatkowo wraz z sygnałem rozproszonym
  2. synchronizacja i nadajnika i odbiornika przez inne stacje wzorcowe
  3. synchronizacja w oparciu o odebrany sygnał.

W pierwszej metodzie (a) dodatkowo do zmodulowanej i rozproszonej nośnej (sygnał użytkowy) dodawana jest nośna niemodulowana, a jedynie rozproszona (sygnał odniesienia). W odbiorniku oba sygnały doprowadza się do 2 wejść modulatora zrównoważonego, dzięki czemu następuje prawidłowa demodulacja sygnału. Odbiornik sam nie posiada generatora PN. Nadajnik w tym systemie musi mieć dodatkowy tor dla dodatkowego sygnału odniesienia. Do odbioru znajomość sekwencji oczywiście nie jest potrzebna.

W innej metodzie (b) częstotliwości i fazy generatorów w nadajniku i odbiorniku synchronizowane są za pomocą zewnętrznego sygnału częstotliwości. Może to być nośna lokalnej rozgłośni, sygnały synchronizacji TV, lub np. DCF77. Występuje tu jednakże konieczność ręcznej regulacji fazy ciągu rozpraszającego (jednorazowo na początku łączności). Odbiornik i nadajnik musi być wyposażony w moduł odbierający zewnętrzny sygnał wzorcowy.

Najbardziej krytyczna i zarazem najtrudniejsza jest metoda (c), bez dodatkowych sygnałów pomocniczych. W tym przypadku nadajnik jest najprostszy, za to odbiornik bardziej złożony. Oprócz odebranie właściwego pasma częstotliwości układ odbiorczy musi wychwycić moment właściwej fazy, dostroić swój generator, podstrajać go w przypadku odchyłki o ½ bitu (w przód lub wstecz). Mimo dokładnego zestrojenia generatorów kwarcowych taktujących generatory PN w odbiorniku i nadajniku, częstotliwość ich nieznacznie się różni. Dlatego też faza sekwencji PN w odbiorniku i nadajniku zmienia się płynnie i co pewien (zależny od odstrojenia) czas fazy obu sekwencji są identyczne. W tych momentach autokorelacji następuje skupienie widma sygnału. Na wyjściu odbiornika pojawia się wyraźnie wyższy poziom sygnału (impuls). Impulsy te mogą być wykorzystane do wychwycenia momentu synchronizacji.

Jak utrzymać właściwą fazę

Potrzebujemy 2 informacji o częstotliwości generatora PN w odbiorniku:
- przyspieszył o ½ bitu (zmniejsz częstotliwość)
- zwolnił o ½ bitu (zwiększ częstotliwość)

Dodajmy do układu skupiającego widmo 2 identyczne gałęzie. Różnią się one jedynie sekwencją PN podawana na wejście mieszacza. Faza sekwencji PN w gałęzi EARLY jest wcześniejsza o ½ bitu. Faza sekwencji PN w gałęzi LATE jest opóźniona o ½ bitu. Jeśli generator PN w odbiorniku zacznie przyspieszać, pojawi się impuls RSSI w gałęzi EARLY. Jeśli generator PN w odbiorniku zacznie zwalniać, pojawi się impuls RSSI w gałęzi LATE. Oba impulsy wykorzystywane są do przyspieszania lub opóźniania generatora PN w odbiorniku. Jeśli generator nie będzie podłączany do układu podstrajającego częstotliwość, impulsy RSSI pojawiać się będą kolejno w gałęziach: EARLY, ON-TIME, LATE lub w odwrotnej kolejności. Zależy to który generator PN (w nadajniku czy w odbiorniku ma wyższą częstotliwość.

 

Obejrzyj także:

Miejsce na reklamę

 

Opis schematu blokowego odbiornika


Rys.1

Sygnał 192 MHz z rozproszonym widmem z anteny kierowany jest na wzmacniacz wejściowy. Wzmacniacz musi mieć pasmo przenoszenia ponad 8 MHz. Wzmacniacz ma możliwość regulacji wzmocnienia. Wzmocniony sygnał podawany jest na mieszacz (downconverter) zrealizowany na UL1042. Mieszacz zasilany jest z heterodyny 122 MHz. Pożądanym produktem mieszania jest szerokopasmowy sygnał pierwszej pośredniej częstotliwości 70 MHz (192-122). Pierwsza pośrednia ma również rozproszone widmo, tzn. od 66 MHz do 74 MHz. Wzmacniacz pośredniej częstotliwości musi mieć pasmo przenoszenia ponad 8 MHz. Wzmocniony sygnał pierwszej pośredniej rozdziela się na 3 identyczne gałęzie. W każdej z 3 gałęzi (EARLY, ON-TIME, LATE) sygnał SS jest buforowany i dochodzi na mieszacz diodowy (podwójnie zrównoważony) w konfiguracji klucza fazy. Na mieszacze w poszczególnych gałęziach kierowane są sekwencje pseudolosowe PN (identyczne jak w nadajniku) przesunięte w fazie o ½ bitu. Jeśli sekwencja PN ma identyczną fazę z sekwencją PN w nadajniku (stan synchronizacji), nastąpi skupienie widma i na bufor po mikserze dochodzi wąskopasmowy sygnał o częstotliwości 70 MHz. Sygnał ten jest zmodulowany fazowo BPSK. Wąskopasmowy sygnał kierowany jest na mieszacz (następny downconverter) zrealizowany na Fecie 2-bramkowym. Dolne bramki Fetów w każdej gałęzi zasilane są z drugiej heterodyny 64 MHz. Pożądanym produktem mieszania jest wąskopasmowy sygnał drugiej pośredniej częstotliwości 6 MHz modulowany fazowo (BPSK). Po odfiltrowaniu i wzmocnieniu sygnały trafiają na detektory obwiedni. Na ich wyjściu otrzymujemy napięcie zależne od sygnału w antenie RSSI. (Tylko w warunkach synchronizmu). Kiedy sekwencja PN ma identyczną fazę jak w nadajniku, występuje RSSI ON-TIME, który może być wykorzystany do wskażnika sygnału. Kiedy sekwencja PN jest wcześniejsza o ½ bitu od sekwencji PN w nadajniku, występuje RSSI EARLY, który jest wykorzystany do opóznienia generatora 4 MHz . Kiedy sekwencja PN jest póżniejsza o ½ bitu od sekwencji PN w nadajniku, występuje RSSI LATE, który jest wykorzystany do przyspieszenia generatora 4 MHz . Impulsy RSSI EARLY oraz RSSI LATE sterują układ synchronizatora generatora VCXO 4 MHz który taktuje generator PN (identyczny jak w nadajniku). Generator PN zbudowany jest na rejestrze 74HC164 i bramkach 74HC86. Sekwencja PN jest przesuwana 2 razy po ½ bitu i buforowana poprzez bramki 74HC14. Otrzymujemy 3 sekwencje pseudolosowe PN (identyczne jak w nadajniku) przesunięte w fazie o ½ bitu. Podawane one są na 3 mieszacze w 3 gałęziach EARLY, ON-TIME, LATE. Wąskopasmowy sygnał z gałęzi ON-TIME kierowany jest na demodulator BPSK. Sygnał wstępnie jest wzmacniany we wzmacniaczu rezonansowym 6 MHz. Następnie jest powielany x2 do 12 MHz. Sygnał 12 MHz podsynchronizowuje generator 12 Mhz. Po podzieleniu przez 2 otrzymujemy sygnał 6 MHz ze stałą fazą. Sygnały 6 MHz z dzielnika oraz 6 MHz BPSK ze wzmacniacza 6 MHz. Po wzmocnieniu i ograniczeniu są sumowane. Gdy ich fazy są zgodne, otrzymujemy „1”. Gdy fazy są przeciwne. Otrzymujemy „0”. Jako przetwornik cyfrowo-analogowy wystarczy filtr dolnoprzepustowy. Analogowy sygnał audio po wzmocnieniu kierowany jest na głośnik.

 

Szczegółowy opis odbiornika


Rys.2 (PDF format)

Sygnał z widmem rozproszonym o częstotliwości środkowej 192 MHz i szerokości pasma 8 MHz z anteny wchodzi na wzmacniacz wejściowy na T1 i T2 (rys.2). Wzmacniacz musi mieć pasmo przenoszenia min. 8 MHz. Do dolnych bramek Fetów można doprowadzić napięcie ARW (nie pokazane). Wzmocniony sygnał doprowadzony jest do mieszacza (downconvertera) na UL 1042.

Pierwsza heterodyna T3 powinna dostarczać 122 MHz. Najkorzystniej stosować układ bez powielania częstotliwości. W modelowym układzie (przerobionym z odbiornika wąskopasmowego) zastosowano kwarc Q=40,68 MHz i powielanie x3 i bufor 122 MHz na T4. Jednak druga harmoniczna (około 81,4 MHz) wchodzi w pasmo przenoszenia wzmacniacza pierwszej p. cz. Dlatego heterodyna (z T3) i bufor (z T4) powinny być ekranowane, a lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie kwarcu o częstotliwości 122 MHz.

Pożądanym sygnałem na wyjściu mieszacza jest szerokopasmowy sygnał pierwszej pośredniej częstotliwości 70 MHz (192-122). Pierwsza pośrednia ma również rozproszone widmo, tzn. od 62 MHz do 78 MHz. Wzmacniacz pośredniej częstotliwości musi mieć pasmo przenoszenia ponad 8 MHz. W modelowym układzie (przerobionym z odbiornika wąskopasmowego) do poszerzenia pasma zastosowano rezystory równolegle do obwodów LC. Układ zadziałał „na szybko”, jednakże stłumione obwody LC obniżają wzmocnienie toru. Spłaszczona charakterystyka toru p.cz. obejmuje oprócz pożądanego pasma od 66 MHz do 74 MHz również drugą harmoniczną generatora kwarcowego heterodyny (około 81,4 MHz). W trakcie budowy jest nowy wzmacniacz p.cz. wykorzystujący filtry pasmowe.

Wzmocniony sygnał pierwszej pośredniej częstotliwości kierowany jest do układu korelatorów, gdzie rozdziela się na 3 identyczne gałęzie pokazane na rys.3.


Rys.3 (PDF format)

Wzmocniony sygnał pierwszej pośredniej rozdziela się na 3 identyczne gałęzie (rys.3). Opis dotyczy jednej. Sygnał 70 MHz z rozproszonym widmem jest buforowany na T1 i dochodzi na mieszacz diodowy (podwójnie zrównoważony) w konfiguracji klucza fazy. Na mieszacz podawana jest sekwencja pseudolosowa PN (identyczna jak w nadajniku). Jeśli sekwencja PN ma identyczna fazę z sekwencja PN w nadajniku (stan synchronizacji), nastąpi skupienie widma i na bufor (z T2) po mikserze dochodzi wąskopasmowy sygnał o częstotliwości 70 MHz. Sygnal ten jest zmodulowany fazowo BPSK. Wąskopasmowy sygnał kierowany jest na mieszacz (następny downconverter) zrealizowany na Fecie 2-bramkowym (T3). Dolne bramki Fetów w każdej gałęzi zasilane są z drugiej heterodyny 64 MHz. Pożądanym produktem mieszania jest wąskopasmowy sygnał drugiej pośredniej częstotliwości 6 MHz modulowany fazowo (BPSK). Z drugiego mieszacza poprzez filtr pasmowy 6 MHz i szerokości około 200 kHz sygnał trafia na 2 stopnie wzmacniaczy aperiodycznych (T4 i T5). Następnie jest drugi identyczny filtr 6 MHz, a po nim ostatni stopień wzmocnienia na T6. Wzmocniony sygnał trafia na detektor obwiedni. Na jego wyjściu (na emiterze T7) otrzymujemy napięcie zależne od poziomu sygnału (RSSI). (Tylko w warunkach synchronizmu). Ponieważ na emiterze T7 napięcie jest dużo niższe od 1 V, dodano dzielnik 10k/10k, a na jego wyjściu napięcie ma wartość około połowy napięcia zasilania. Do korekcji rozrzutu wartości elementów, w jednej z gałęzi (LATE) zamiast jednego z rezystorów w dzielniku (10k) zastosowano szeregowo połączone rezystor 8k2 i potencjometr 6k8. Przy braku sygnału, na wyjściach gałęzi EARLY i LATE, powinny być jak najbardziej zbliżone poziomy napięć (regulujemy potencjometrem 6k8). Przy braku sygnału, napięcia na wyjściach detektorów odpowiadają poziomowi zakłóceń (dość wysokiemu). W momencie synchronizacji, skupione widmo daje wąskopasmowy sygnał, który powoduje wyraźny wzrost napięcia RSSI na wyjściu. Impulsy RSSI EARLY oraz RSSI LATE sterują układ synchronizatora generatora VCXO 4 MHz, który taktuje generator PN (pokazany na rys.4). Gdy sekwencja PN ma identyczna fazę jak w nadajniku, występuje RSSI ON-TIME, który może być wykorzystany do wskaźnika sygnału oraz pętli ARW (nie pokazanej). W tej gałęzi ON-TIME przed detektorem obwiedni występuje wzmocniony sygnał 6 MHz modulowany fazowo BPSK, zawierający informacje użytkownika (nadawane). Jest on kierowany na demodulator BPSK (pokazany na rys.5).


Rys.4 (PDF format)

Generator PN odbiornika (rys.4) jest identyczny jak w nadajniku. Zrealizowany jest na 8-stopniowym rejestrze przesuwnym 74HC164 oraz bramkach EX-OR 74HC86 w sprzężeniu zwrotnym. Użyte 7 stopni pozwala na generację sekwencji pseudolosowej o długości 127 bitów. Sekwencja PN jest dwukrotnie opóźniana o około ½ bitu z wykorzystaniem obwodów RC (k33 i n12). Zatem na wyjściu otrzymujemy 3 identyczne sekwencje przesunięte w fazie. Sekwencja EARLY-PN jest przyśpieszona o ½ bitu, a sekwencja LATE-PN jest opoźnionaona o ½ bitu w stosunku do sekwencji ON-TIME-PN. W odróżnieniu od nadajnika generator PN odbiornika taktowany jest nie z generatora kwarcowego, a z przestrajanego VCXO. Podyktowane jest to koniecznością zapewnienia dokładnie identycznej częstotliwości i fazy obu generatorów PN w nadajniku i odbiorniku. Jeśli z jakiegoś powodu częstotliwość generatora kwarcowego w nadajniku nieco się zmieni, układ w odbiorniku musi przestroic VCXO na nowa czestotliwość, aby zachować stan synchronizacji. VCXO zbudowany jest na T1 wraz z buforem na T2. Stabilizowany jest rezonatorem kwarcowym 4 MHz i przestrajany jest warikapami 2 x BB112. Zakres przestrajania przy napięciu zasilania 6V wynosi +/-0,5 kHz. Układ synchronizatora zbudowany jest na 2 wzmacniaczach operacyjnych. Impulsy RSSI-LATE z gałęzi LATE (pokazanej na rys.3) doprowadzane są na wejście nieodwracające pierwszego wzmacniacza. Impulsy RSSI-EARLY z gałęzi EARLY doprowadzane są na wejście odwracające pierwszego wzmacniacza. Na jego wyjściu otrzymujemy więc w stanie synchronizmu napięcie około 3V (regulowane potencjometrem 6k8 w gałęzi LATE). Przy normalnej pracy (śledzeniu częstotliwości) pojawiają się impulsy powyżej 3V (gdy częstotliwość jest za wysoka i należy zwolnić) oraz impulsy poniżej 3V (gdy czestotliwość jest za niska i należy przyspieszyć). Drugi wzmacniacz operacyjny pracuje w układzie filtra dolnoprzepustowego i jednocześnie wzmacnia impulsy sterujące do wartości około 1V do 5V w celu uzyskania szerokiego (+/-0,5 kHz) zakresu przestrajania VCXO.

BPSK_demodulator
Rys.5  (format PDF)

Wąskopasmowy sygnał 6 MHz modulowany fazowo BPSK ze środkoewj gałezi układu korelatorów ON-time (pokazanej na rys.3) kierowany jest na demodulator fazy (rys.5). Sygnał jest wstepnie wzmocniony we wzmacniaczu rezonansowym 6 MHz na T1. Nastepnie jest powielany x2 w podwajaczu na T2. Powielony sygnał 12 MHz ma stałą fazę ale jego obwiednia jest znieksztalcona. Sygnał ten podsynchronizowuje generator 12 MHz na T3, T4. Z wyjscia generatora wzmocniony na T5 sinusoidalny sygnal 12 MHz jest dzielony przez 2 z wykorzystaniem przerzutnika na T6, T7. Po wzmocnieniu i ograniczeniu na T8, T9 otrzymujemy prostokątny sygnał 6 MHz ze stałą fazą jako wzorcowy. Wstepnie wzmocniony na T1 sygnał BPSK jest również wzmacniany i ograniczany na T10, T11. Jest on sumowany z sygnalem wzorcowym na T12. Jeśli faza obu sygnalów jest zgodna, amplituda się zwieksza. Jeśli ich fazy sa przeciwne, amplituda się zmniejsza. Otrzymujemy cyfrowy sygnał audio odpowiadajacy cyfrowemu sygnalowi audio w nadajniku. Jednak ich faza (polaryzacja) może być zgodna lub przeciwna. Faza cyfrowego sygnalu audio w odbiorniku może się odwrócić w ciągu trwania łączności na skutek zakłóceń pracy demodulatora BPSK. Jako przetwornik cyfrowo-analogowy wystarczy filtr dolnoprzepustowy z T13. Z potencjometru 4k7 sygnal m.cz. pobierany jest na wzmacniacz audio (pokazany na rys.6).

Odwrócenie fazy sygnału z demodulatora BPSK powoduje jedynie odwrócenie fazy wyjściowego sygnału akustycznego, co jest niesłyszalne. Dlatego nie ma konieczności stosowania układu odtwarzania fazy. Podwojenie sygnalu BPSK a nastepnie podział przez 2 wprowadza opóźnienie, dlatego faza sygnalu wzorcowego 6 MHz i sumowanego z nim ograniczonego sygnalu BPSK nie są dokładnie zgodne lub dokładnie przeciwne. Skutkiem tego jest mniejsza amplituda cyfrowego sygnału audio po T12. W nastepnej wersji demodulatora BPSK wprowadzonu będzie obwód opóźniajacy w torze z T10, T11.


Rys.6

Rys.7

Wzmacniacz wyjściowy audio (rys.6) zrealizowany zostal na TDA 7050. Uklad pracuje od 3V, co jest trudne do osiągniecia w układach na elementach dyskretnych. Uwagę zwraca konieczność odizolowania obu przewodów głośnikowych od masy.

Generator 64 MHz (druga heterodyna) pracuje z wykorzystaniem czestotliwości harmonicznej kwarcu (rys.7). Rezonator kwarcowy 12,8 MHz pracuje na 5 overtonie. Obwod LC w kolektorze stroi się na maksimum amplitudy. Z wyjścia generatora sinusoidalny sygnał 64 MHz podawany jest na dolne bramki Fetów w każdej z trzech galezi korelatorów (pokazanych na rys.3).

Opis nadajnika

Zdjęcia

Kliknij na miniturkę, aby uzyskać powiększenie

Transmitter

transmitter

Downconverter

downconwerter

Receiver

Receiver

Wszelkie zapytania proszę kierować do autora: Walery Maksymiuk

2002-03.02.2006
   

Strona główna

Edycja i opracowanie HTLM: SP4IZK