9.5. ZASTOSOWANIA W RADIO- I TELEKOMUNIKACJI

  Obecny poziom techniki COS pozwala na konstrukcję wielu członów urządzeń nadawczo-odbiorczych i telekomunikacyjnych. Seryjnie budowane są układy odbiorników, radiostacji, modemów, kontrolerów TNC, PTC i przyrządów pomocniczych, w których znaczny procent członów pracuje na zasadzie cyfrowej. W niedługim czasie technika cyfrowa opanuje następne człony odbiorników, pojawią się urządzenia w pełni cyfrowe. Przykładowe możliwości w tej dziedzinie zobrazowano na rysunku 9.16.

    [rys. 9_16]

    Poza członem wejściowym złożonym z filtru dolnoprzepustowego, mieszacza, filtru p.cz i pierwszego stopnia wzmocnienia p.cz. reszta odbiornika zastąpiona może być członem COS. Również pierwszy oscylator - syntezer częstotliwości może być układem cyfrowym.
    Procesor sygnałowy zapewnia odpowiednią filtrację, demodulację różnych typów sygnałów, dekodowanie sygnałów cyfrowych, ich transmisję przez łącze szeregowe, wzmocnienie sygnałów akustycznych i automatyczną regulację wzmocnienia.
    Ze względu na wielorakość funkcji konieczne jest użycie specjalnego procesora sygnałowego. Dodatkowy zwykły mikroprocesor pozwala na osiągnięcie odpowiedniego komfortu obsługi i wyposażenie w zdalne sterowanie.
    Zastosowany w tym przypadku syntezer cyfrowy wytwarza sygnał o znacznie niższym poziomie szumów fazowych niż układ złożony z kombinacji pętli PLL.
    Cała przedstawiona wyżej przykładowa konstrukcja wymaga jedynie bardzo prostego zestrojenia układów wejściowych.
    Podobnie prosta może być realizacja w technice COS większości członów nadajnika dostosowanego do wielu różnych rodzajów emisji i pozwalająca na optymalny dobór parametrów w każdym przypadku.
    Jednym z klasycznych przykładów zastosowania techniki COS w dziedzinie krótkofalarstwa jest radiostacja TS950DS firmy Kenwood. Jest ona wyposażona w podwójny odbiornik z podwójnym zestawem elementów regulacyjnych i wskaźników. Cyfrowa realizacja jego członów pcz. i mcz. pozwala na osiągnięcie charakterystyk przenoszenia lepszych niż byłoby to możliwe w układach analogowych, dopasowanie charakterystyki m.cz. do indywidualnych wymagań operatora, uzyskanie płynnego przełączania przy pracy telegraficznej, pracę z modulacją FSK o dowolnie dobranym przesuwie częstotliwości i bardzo skuteczne tłumienie zakłóceń. Również część analogowa radiostacji nie ustępuje jakością członom cyfrowym, dzięki czemu odbiornik charakteryzuje się zakresem dynamiki wynoszącym 105 dB, (ang. intercept point, IP) trzeciego rzędu powyżej +24 dBm i poziomem szumów ciągłych -140 dBm. Wbudowany układ mikroprocesorowy zapewnia wysoki komfort obsługi m. in. wyboru pasma i częstotliwości pracy, przeszukiwania pasma (połączonego z układem blokady szumów pracującym we wszystkich rodzajach emisji), 100 pamięci oraz układ automatycznego dostrajania anteny.
    Dalszym przykładem jest odbiornik SoftWave. Odbiornik ten, wykonany na płytce wtykanej do komputerów klasy PC, pokrywa zakresy 0,5 - 30 MHz i 108 - 174 MHz. Odbiornik sterowany za pomocą programu pracującego pod systemem Windows pozwala na odbiór wielu rodzajów modulacji, przeszukiwanie pasm, graficzną analizę zajętości wybranych podzakresów, dekodowanie telegrafii Morsa oraz innych rodzajów emisji itp. Dla ułatwienia wyboru pożadanych stacji oprogramowanie wyposażone jest w bazę danych zawierającą informacje o poszczególnych stacjach oraz mapy świata. Wybór pożądanej stacji może być dokonywany za pomocą myszy - bezpośrednio z bazy danych lub z mapy. Odbiornik wyposażony jest w procesor sygnałowy pracujący na drugiej p.cz. W wielu innych rozwiązaniach odbiorników wyposażonych w układy COS zastosowano potrójną przemianę częstotliwości z trzecią p.cz rzędu kilkunastu kHz tak aby mogły być w nich użyte możliwie niedrogie procesory sygnałowe.
    Układy cyfrowych syntezerów częstotliwości spotykane są także w wielu innych rozwiązaniach odbiorników i radiostacji znanych firm (np. IC707, IC77, IC727, IC728, FT1000MP, FT840, JST145/245, TS-50, TS-60S, Kachina 505 itd.). Spotykane są także zestawy części do samodzielnej konstrukcji syntezerów cyfrowych. Pozwala to na unowocześnienie starszego sprzętu nadawczo-odbiorczego albo budowę urządzeń o parametrach nie ustępujących sprzętowi fabrycznemu. Jeden z takich zestawów - DDS-3 firmy Novatech - pozwala na konstrukcję syntezera pokrywającego w sposób ciągły i bez przełączania zakresu częstotliwości od 2 Hz do 12 MHz (nawet do 16 MHz, jest to okupione nieco gorszymi parametrami sygnału). Odstęp kanałów równy jest 2 Hz. Poziom szumów fazowych sygnału w odległości 1 kHz leży na poziomie -90 dB w stosunku do poziomu nośnej, poziom składowych harmonicznych i pasożytniczych wynosi -50 dB. Zestaw zawiera scalony syntezer cyfrowy typu Q22201, szybki przetwornik cyfrowo-analogowy typu MC10322 oraz kilka obwodów pomocniczych i mieści się na płytce drukowanej o rozmiarach ok. 9 x 11 cm.
    Innymi przykładami zastosowania techniki COS w sprzęcie krótkofalarskim są uniwersalne kontrolery TNC typu DSP-1232/2232/232 firmy Timewave (dawniej AEA), kontrolery PTC-II oraz filtry eliminujące samoczynnie zakłócenia i gwizdy pochodzące z sąsiednich kanałów. Zastosowany w nich algorytm pozwala na rozpoznanie sygnałów zakłócających (dla odróżnienia od sygnałów mowy można założyć względną stałość ich amplitudy) i obliczenie odpowiednich parametrów filtrów cyfrowych. Analiza widmowa sygnału pozwala także na rozróżnienie składowych sygnału i szumów. Czas reakcji filtru wynosi od kilkadziesięciu do 250 ms. Osiągane tłumienia dochodzą do 50-60 dB dla sygnałów zakłócających i ok. 20 dB dla szumów. Pozwalają one także na ograniczenie pasma sygnału za pomocą filtrów pasmowych o regulowanej częstotliwości środkowej i szerokości pasma. Charakterystyki filtru pasmowego są zbliżone do prostokątnych - tłumienie może dochodzić do 60 dB dla składowych odległych o 50 Hz od granicy pasma przenoszenia. Przykładami takich filtrów są: NTR-1, NRF-7 i NIR-10 firmy JPS, MFJ-784B firmy MFJ oraz DSP-59 firmy Timewave. Ze względu na ich rozpowszechnienie filtry te przedstawione są dokładniej w dalszej części rozdziału.
    Technika COS pozwala też na zastosowanie dodatkowych środków poprawiających jakość odbioru w trudnych warunkach silnych szumów i zakłóceń. Możliwe będzie np. zmniejszenie szybkości telegrafowania do wartości trudnej do odczytania przez człowieka - jest to obecnie aktualne w związku z udostępnieniem pasma długofalowego - czy poprawa stosunku sygnału do szumu przez zastosowanie metod korelacyjnych (porównywanie podobieństwa przebiegu sygnału w różnych momentach czasowych). Niewielka szerokość pasma długofalowego (135,8 - 137,4 kHz), ograniczenia mocy często do 1 W ERP i niskie sprawności anten (anteny o rozmiarach możliwych do przyjęcia w warunkach amatorskich mają sprawności ok. 1% lub niższe) zmuszają do stosowania w tym zakresie powolnej telegrafii. Długości symbolu dochodzą nawet do kilku minut. Możliwe jest wprawdzie dekodowane takich sygnałów telegraficznych za pomocą urządzeń elektromechanicznych, jest to jednak wdzięczne pole do eksperymentów z cyfrową obróbką sygnałów i jest ona stosowana przez coraz szersze grono krótkofalowców.
    Sieć telekomunikacyjna ISDN pozwala na transmisję w postaci cyfrowej informacji akustycznej (telefonicznej), obrazów (telefaks) i danych w dwóch kanałach z szybkością transmisji 64 kbit/s. Dodatkowy kanał pracujący z szybkością 16 kbit/s transmituje informację sterującą oraz w przerwach - dane cyfrowe w postaci pakietów. Dodatkowe sygnały synchronizujące i pomocnicze transmitowane są z szybkością 48 kbit/s. Wypadkowa szybkość transmisji wynosi więc 192 kbit/s, a wymienione informacje są zmultipleksowane czasowo. Dwa kanały użyteczne pozwalają na równoległą pracę dwóch aparatów telefonicznych, aparatu telefonicznego i telekopiarki (telefaksu) lub jakichkolwiek innych urządzeń. Najprostszym i najbardziej rozpowszechnionym urządzeniem pozostanie oczywiście aparat telefoniczny. Podstawowe funkcje, jak przetwarzanie sygnałów akustycznach na cyfrowe i odwrotnie (zgodnie z charakterystyką A lub ľ), przetwarzanie sygnałów sterujących na sygnały zajętości itp., cyfrowa filtracja sygnałów i eliminacja zakłóceń sieciowych 50/60 Hz, cyfrowa korekcja charakterystyki przenoszenia (zależna od stosowanych mikrofonów i słuchawek), multipleks i dopasowanie do linii mogą być skupione w jednym obwodzie scalonym np. Am79C30A. Konstrukcja obwodu pozwala na zewnętrzne programowanie parametrów cyfrowych filtrów i wzmacniaczy. Podłączenie obwodu Am79C401 umożliwia dodatkowo konwersję danych nadawanych w innych formatach (X.25, HDLC, SDLC, V.120) na format danych sieci ISDN.
    Stosowany w amerykańskim systemie telefonicznym dwutonowy sygnał wybierający DTMF (każdej cyfrze odpowiada para dwu z ośmiu tonów, co daje 16 możliwych kombinacji) może być także generowany i dekodowany za pomocą układów COS. Generacja oparta na przedstawionej uprzednio zasadzie syntezera cyfrowego nie nastręcza większych trudności. Dekodowanie wymaga zastosowania odmiany algorytmu obliczającego transformatę Fouriera. Algorytm obliczający szybką transformatę Fouriera (FFT) stosowany jest dla większej liczby analizowanych próbek i częstotliwości. W przypadku sygnału zawierającego kombinację z tylko ośmiu częstotliwości i trwającemu ok. 40 ms korzystniejsze jest stosowanie dyskretnej transformacji Fouriera (DFT, algorytmu Goertzela), pozwalającej na bieżacą analizę napływającego strumienia danych bez konieczności zapamiętywania go. Obliczone w ten sposób widmo poddawane jest dalszej analizie pozwalającej na rozpoznanie nadanej cyfry. Jedno z możliwych rozwiązań oparte jest na procesorze sygnałowym ľPD77P25 (ľPD77C25) i w przypadku 205 iteracji (205 próbek) analiza sygnału trwa ok. 25,6 ms, a rozpoznanie cyfry - dodatkowe 0,5 ms.

Tablica 1.
Przyporządkowanie klawiszom par częstotliwości DTMF

__________________________________________________________
 Hz    1209    1336    1477    1633
__________________________________________________________
 697     1       2       3       A
 770     4       5       6       B
 852     7       8       9       C
 941     *       0       #       D
__________________________________________________________