Краткое содержание первой части с обоснованием задачи.
Причиной, побудившей автора заняться разработкой беспроводного микрофона для систем оповещения и связи явилось его предыдущее долговременное и плодотворное сотрудничество с техническими службами МВД (в основном ГИБДД), МЧС и др.
В рамках своих должностных обязанностей ему приходилось не только ремонтировать, но и устанавливать установки звукооповещения как на крыше спецавтомобилей, (вместе со светотехникой) так и под капотом (со вспышкой)).
Наибольшее раздражение эксплуатантов вызывал болтающийся в тесной кабине микрофон на витом шнуре, точнее командно-микрофонный пункт управления этой свето-звукотехнической установкой.
В последних промышленных разработках (Новосибирск, Челябинск и др.) с последнего активировался усилительный тракт (включалось питание), включалась сирена, менялась её мелодия, включалась светотехника, или транслировались звуковые команды.
Необходимость размещения ещё и усилительного блока в кабине на месте радиоприёмника или в "бардачке" вызывало ещё большее недовольство.
И тогда автор, как радиолюбитель, прошерстив массу различных источников, решил сам разработать предельно простой дешёвый беспроводной микрофон, объединённый с команд-аппаратом.
Оказалось, что создать такое устройство далеко не просто, если не сказать, что почти невозможно.
Причины - длительные переходные процессы в системе при включении питания на беспроводной микрофон, если он был реализован по классическому варианту с кварцем и системой ФАПЧ (PLL), что вызывало ощутимую задержку в исполнении команды.
Задержка исполнения звуковой команды (голос, сирена) в оперативной обстановке на спецавтомобиле не допустима.
В процессе анализа многих возможных вариантов создания такого устройства было предложено отказаться как от кварцевой стабилизации частоты в микрофоне, так и от стабилизатора напряжения в микрофоне для его упрощения и удешевления, а также ряда других функций, но минимизировать при этом его габариты до разумных пределов и обеспечить и достаточно высокую технологичность его изготовления.
Но всё это изложено в первой части.
Вторая часть посвящена принципам построения приёмника для такого беспроводного микрофона. Итак часть вторая с сохранением нумерации рисунков из первой части.
Особенности и обоснование структурной схемы приёмника РМСС
Прежде, чем сформулировать требования к приёмнику РМСС и его структурной схеме необходимо реально оценить достигнутые параметры передатчика РМСС, учитывая его плавающую частоту. В первую очередь пределы изменения рабочей частоты при изменении климатических условий и питающего напряжения.
Разумный вариант определения этих значений может быть только один - изготовить несколько рабочих образцов, как для проверки повторяемости параметров, так и для получения некоторой статистики. Что и было сделано. На рис. 5 платы после испытания и коррекций в процессе проведённых испытаний.
Рис. 5
И здесь, к сожалению, пришлось столкнуться с низким качеством комплектующих, поставляемых из КНР, особенно конденсаторов, как выводных, так и SMD и по тангенсу угла потерь и по стабильности номинала, хотя все они и маркировались как NPO.
Регулировка параметров сборочных единиц РМСС проводилась при температуре +20 – +23 град. Изготовленные экземпляры были помещены в термокамеру, температура которой варьировалась от – 30град. до + 45 град.
Максимальное отклонение частоты РМ при температуре -30 град достигало в среднем + 0,7 мГц , (большее число экземпляров) и при температуре + 45 град – 0,3 мГц,
Изменения частоты РМСС на этом фоне от величины питающего напряжения оказались весьма незначительны. Всего лишь 100 – 150 кГц.
Здесь следует отметить и другой, очень существенный положительный фактор.
Если гетеродин приёмника выполнить из той же партии деталей, что и РМСС, то при нахождении РМСС и приёмника в одних и тех же климатических условиях, частота приёма по факту сдвигается практически на ту же величину, т.е. разность частот передачи и приёма не превышает 100 – 200 кГц.
Это значительно снижает технические требования к приёмнику. Однако рассчитывать на это не следует. Исходя из реалий эксплуатации и необходимого, так называемого, производственного запаса, а так же учитывая возможность нахождения приёмника и передатчика в разных климатических условиях, диапазон рабочих частот приёмника должен быть, по меньшей мере, вдвое больше максимальных температурных отклонений частоты РМСС, т. е. составлять не менее +/- 2 мГц.
Итак, сформулируем первое основополагающее требование к приёмнику:
Диапазон рабочих частот приёмника должен составлять не менее +/- 1% от центральной рабочей частоты РМСС. Например, если установочная рабочая частота F = 225 +/- 0,5 мГц, то частотный диапазон приёма должен находиться в интервале от 222,5мГц до 227,5 мГц. Разумеется, что его можно сократить, ориентируясь на более мягкие климатические требования или применением ПАВ фильтров в РМСС.
Очевидно, что приёмник должен реализовывать режим сканирования этого частотного диапазона, отыскивая "свой" беспроводной микрофон
Поэтому режим работы такого приёмника мало отличается от алгоритма работы типового приёмника сканера. Но если в последнем варианте фиксация несущей (остановка сканирования) осуществляется по её появлению , то в рассматриваемом варианте требуется ещё и обязательное наличие хотя бы одного из пилотсигналов. Структурная схема такого приёмника приведена на рис. 6
Рис. 6
Как следует из приведенной блок – схемы стандартный УКВ ЧМ приёмник дополнен всего лишь тремя узлами – цифровым генератором пилообразного напряжения (ГПНЦ) на базе типового счётчика с матрицей R-2R , декодером команд управления и ключом блокировки звука. На блок-схеме дополнительные узлы ни выделены утолщёнными линиями.
В качестве обнаружителя частот команд управления подходит любой типовой стереодекодер (напр. ТА7343АР) или специализированная микросхема LM567. Генератор ГПНЦ легко реализуется на упомянутом выше микроконтроллере PIC 12F 529.
Прежде, чем перейти к изложению алгоритма работы приёмника, напомним некоторые очевидные вещи.
Любая система АПЧГ характеризуется в первую очередь шириной полосы частот, где возможен захват частоты приёма и шириной полосы удержания упомянутой частоты. Полоса удержания может кратно превышать полосу захвата, поэтому после захвата приёмником частоты РМСС , любое изменение последней не ведёт к нарушению связи.
Ширина полосы захвата находиться обычно в пределах полосы пропускания приёмника, но может быть и несколько шире при быстродействующей АПЧГ.
Рис. 7
На рис. 7 пунктирной линией 1 отображена лишь тенденция изменения формы напряжения на варикапе гетеродина от ГПНЦ (Uв), Реально же она осуществляется дискретно (линия 2) откуда следует, что напряжение на варикапе гетеродина, а, следовательно, и частота приёма меняется скачкообразно. Общее число этих скачков определяется элементарным делением диапазона качания частоты на ширину полосы захвата АПЧГ приёмника.
А вот длительность единичного скачка частоты должна быть, с одной стороны малой, что бы быстро «пробежать» весь диапазон сканирования в поиске РМСС, а с другой стороны достаточной большой (25–35 млсек) для уверенного срабатывания декодера команд и остановки процесса сканирования.
Эта проблема решается достаточно просто при введении ещё одного канала управления ГПНЦ от АМ детектора. (см, рис. 6 и 7 ) На свободных частотных участках диапазона скорость сканирования достаточно велика и замедляется при обнаружении АМ детектором несущей выше определённого уровня (порога). Напомним, что скорость реакции АМ детектора на появление несущей может составлять доли млсек.
Если на участке замедления (посторонняя РСТ) пилот сигнал не обнаруживается, система продолжает поиск РМСС (см. рис. 7 линия 2) с прежней скоростью.
Как следует из этого рисунка наличие радиосредств в сканируемом диапазоне может заметно увеличить длительность соединения и даже полностью его заблокировать. Переход на резервную частоту подключением одного из добавочных конденсаторов в LC - генераторе решает эту проблему, что невозможно, в частности, в РМСС с ПАВ резонатором.
У автора нет обширной статистики по времени задержки активации всего аудиотракта после нажатия тангенты на РМСС, но разброс значений от 150 млсек, до 800 млсек имел место быть.
Варианты конструктивных решений на базе РМСС
Наличие беспроводного микрофона в арсенале конструктора позволяет ему совершенно иначе подходить к проектированию, например, тех же установок звукооповещения. Приведём здесь несколько наиболее наглядных примеров.
Вполне вероятно, что каждый из нас видел автомобиль гражданской обороны (ГО) с установленными на его крыше от одного до 4 звуковых излучателей. При движении вдоль улицы или посёлка, или у торговых центров проводилось оповещение населения о его действиях, в случае наступления ЧС.
Аналогичные установки имеются и в автомобилях сотрудников МВД, МЧС (так называемые «подкапотники», на катерах инспекторов рыбоохраны и водной полиции и т. п.
И хотя режим звукооповещения используется лишь периодически все эти установки имеют стационарное крепление, причём часто с изменением конструкции транспортного средства.
На рис. 8 приведён комплект быстросъёмной, на магнитном креплении, автомобильной установки звукооповещения с адаптером питания 12В или 24 В и беспроводным РМСС.
Рис. 8
В трансформаторном отсеке рупорного громкоговорителя размещены усилитель мощности, приёмник РМСС, синтезатор стандартного набора сирен и модуль Bluetooth. По существу рупорный громкоговоритель преобразован в радиоакустический модуль с дистанционным радиоуправлением
С рассмотренного выше беспроводного микрофона осуществляется управление всеми функциями этой установки – активизация системы, запуск сирен, смена мелодии сирен, подключение модуля Bluetooth для трансляции музыки, или речевого сообщения со смартфона.
Используя разветвитель разъёма «прикуривателя» автомобиля можно очень быстро установить на его крыше до 4 - 6 подобных устройств, преобразуя за несколько десятков секунд гражданский автомобиль в автомобиль ГО и наоборот. Это, кстати, распространяется и на машины БМП и БРДМ. Таким образом можно очень быстро наращивать, как мощность звуковещательной установки, так и число автомобилей ГО в зависимости от оперативной обстановки.
Другим примером применения РМСС это его использование в полностью автономных переносных звуковещательных установках, используемых, например, для школьных линеек на открытом воздухе, на стихийных митингах и шествиях, у торговых центров, для рекламы и т. д. (см. рис. 9)
Рис. 9.
Здесь радиоакустический модуль дополнен комплектом энергоёмких литий-фосфатных аккумуляторов, зарядным устройством и РМСС, а так же арматурой для ручной переноски.
При использовании РМСС повышенной мощности с более эффективной наружной антенной появляется возможность за считанные минуты звукофицировать большие открытые пространства - улицу, проспект, площадь и т. д. путём расстановки по периметру нескольких радиоакустических модулей с автономным питанием.
Вместо эпилога
Завершить статью мне хотелось бы тремя мудрыми изречениями, приписываемых Альберту Эйнштейну.
Все знают, что проблема не имеет решения. Однако находится невежда, который этого не знает. Он то и находит решение.
2.Ты никогда не решишь проблемы, если будешь думать так, как думают те, которые её создали.
3. Передача опыта, это не передача пепла, это передача огня.
Автор Кибакин Владислав Михайлович