ЛИНИЯ РАДИОСВЯЗИ С ПРОСТРАНСТВЕННОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ Российский патент 1997 года по МПК H04B7/02 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в космических и наземных системах радиосвязи, использующих пространственную модуляцию.

Известны системы связи с использованием поляризационной модуляции радиосигналов, в частности с эллиптической поляризацией волны путем изменения параметров эллипса поляризации (К.Г. Гусев, А.Д. Филатов, А.П. Сопалев. Поляризационная модуляция. М. Сов. радио, 1974, с. 63-161).

Недостатком этих устройств является то, что они могут быть использованы в условиях, когда параметры распространения сигналов по трассе и взаимное положение передающей и приемной антенн постоянны. Однако в большинстве практических случаев изменяются как параметры распространения сигналов, так и взаимное расположение антенн, что приводит к возникновению большого уровня взаимных помех между отдельными каналами системы связи.

Известна также система радиосвязи по а.с. N 114978, в которой основания и дополнительная информация передаются соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях поляризации. Однако эта система связи обладает невысокой помехоустойчивостью.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство по а.с. N 1385305, представленное на фиг. 1.

Система радиосвязи содержит генератор 1 сигналов, разветвитель 2 мощности, амплитудные модуляторы 3 и 4, противофазный усилитель 5, облучатель 6 и 7 передающей антенны 8, облучатели 9 и 10 приемной антенны 11, суммарно-разностный блок 12, состоящий из сумматора 13 и вычитателя 14, синхронный детектор 15, демодулятор 16 основного сообщения, амплитудный ограничитель 17, фильтры 18 и 19 нижних частот (ФНЧ), блок 20 управления положением осей поляризации облучателей приемной антенны, ключ 21, фазовый детектор 22, фазовращатель 23, линии задержки 24 и 25 и компаратор 26.

Демодулятор 16 основного сообщения состоит из фазового детектора (ФД) 27, ФНЧ 28 и генератора управляемого напряжением (ГУН) 29.

Система работает следующим образом.

Генератор 1 сигналов формирует сигнал основных сообщений, модулированный по частоте или фазе основными сообщениями.

Этот сигнал имеет вид
U_с(t) = Ucos[ωt+Φ(t)] (I) (1)
где U постоянная амплитуда сигнала;
Φ(t) функция изменения фазы сигнала, соответствующая частотной или фазовой модуляции основными сообщениями S_o;
ω угловая частота.

Сигнал (1) поступает на вход разветвителя 2 мощности, с выхода которого сигнал разветвляется на два канала, в которых установлены амплитудные модуляторы 3 и 4, выполненные в виде высокочастотных усилителей. В них амплитуда проходящих сигналов изменяется противофазно по закону передаваемых дополнительных сообщений с помощью напряжений, снимаемых с противофазного усилителя 5. При этом сигналы на выходах амплитудных модуляторов 3 и 4 следующие.

U₃(t)= U₁[1+f(t)]cos[ωt+Φ(t)] (2) (2)
U₄(t)= U₁[1-f(t)]cos[ωt+Φ(t)] (3) (3)
где U₃(t) и U₄(t) сигналы на выходах модуляторов 3 и 4 соответственно;
U₁ постоянная амплитуда;
f(t) функция изменения амплитуды сигналов, соответствующая дополнительным сообщениям S_g.

Сигналы (2) и (3) поступают на входы облучателей 6 и 7 передающей антенны 8. Передающая антенна 8 может быть сделана в виде зеркальной антенны с двумя облучателями 6 и 7 или в виде вибраторных антенн с соответствующими возбудителями. Облучатели 6 и 7 создают поля с ортогональной одно относительно другого линейной или круговой поляризацией. Сигналы, которые излучают передающая антенна 8, принимаются приемной антенной 11. Ее облучатели (возбудители) 9 и 10 имеют взаимно ортогональные линейную или круговую поляризации. Приемная антенна 11 с облучателями (возбудителями) 9 и 10 выполнена аналогично передающей.

На выходах облучателей 9 и 10 приемной антенны 11 получаем сигналы
(4)
где n_x(t) флуктуационная помеха в виде нормального гауссова шума составляющей оси Х;
n_xu(t) импульсная помеха составляющей оси Х;
α угол рассогласования по поляризации.

(5)
где n_y(t) флуктуационная помеха в виде нормального гауссова шума составляющей оси Y;
n_yn(t) импульсная помеха составляющей оси Y.

С выхода сумматора 13 получаем сигнал
(6)
(7)
В качестве демодулятора 16 используется синхронно-фазовый демодулятор (СФД) (фиг. 2) с устройством отбраковки аномальных перескоков фазы, кратных 2 рад, возникающих во входной смеси сигнала с помехой под действием как флуктуационных, так и импульсных помех, что позволяет повысить помехоустойчивость при воздействии комплекса помех на единицы и десятки децибел в зависимости от базы сигнала.

На выходе демодулятора 16, работающего в синхронном режиме, возникает напряжение, изменяющееся согласно закону изменения частоты или фазы входного сигнала, т.е. демодулированное сообщение.

Для компенсации постоянного фазового сдвига использован фазовращатель 23 на 90^o, с выхода которого поступает опорный сигнал, не содержащий информацию о помехе на синхронный детектор 15.

При воздействии на вход системы флуктуационного шума и импульсной помехи (ИП) на первый вход фазового детектора 22 поступает суммарный сигнал с выхода амплитудного ограничителя 17, а на второй вход фазового детектора 22 опорный сигнал с выхода фазовращателя 23. Возникающая разница между опорным и входным сигналами вызывает появление на выходе ФНЧ 19 напряжения помехи. В случае превышения порога чувствительности компаратора 26 на его выходе появляется сигнал запрета, который закрывает ключ 21 и сигнал "Пораженный ИП" не проходит на вход демодулятора 16 на время действия ИП. При этом, как правило, постоянная времени ФНЧ 18 больше, чем время действия МП. Таким образом, демодулятор 16 не выходит из состояния синхронизма на время действия ИП.

В случае отсутствия на входе устройства ИП на выходе компаратора 26 сигнал запрета отсутствует и ключ 21 открыт.

На время анализа помеховой обстановки и выработки сигнала управления для ключа 21 необходимо задержать суммарный сигнал в канале обработки с угловой модуляцией. На это же время необходимо задержать и разностный сигнал в другом канале, для чего служат линии 24 и 25 задержки. Время задержки линий 24 и 25 задержки выбирается одинаковым. Это время в основном определяется полосой пропускания ФНЧ 19.

С выхода синхронного детектора 15 сигнал идет на узкополосный ФНЧ 18, с помощью которого выделяется постоянная составляющая, знак которой зависит от знака угла рассогласования α. С выхода ФНЧ 18 эта составляющая поступает на блок управления положением осей поляризации облучателей (возбудителей), который поворачивает облучатели так, что угол a становится равным нулю. При рассогласовании в другую сторону (угол a отрицательный) указанная составляющая положительная, облучатели повернуты в противоположную сторону.

ФНЧ 18 имеет полосу пропускания, значительно меньшую по сравнению с шириной спектра функции. Поэтому ФНЧ 18 может пропускать только медленно меняющиеся сигналы, обусловленные изменениями взаимного положения антенн.

Блок 20 с помощью напряжения, снимаемого с ФНЧ 18, устраняет рассогласование между поляризацией приходящих сигналов и поляризацией облучателей приемной антенны. При этом система регулирования работает по принимаемому сигналу, несущему информацию о передаваемых сообщениях.

Для передачи все возрастающего объема информации необходимо увеличивать скорость передачи или число радиоканалов, что в том и в другом случае приводит к расширению полосы радиочастот. Как известно, диапазон радиочастот, начиная от самых низких ОНЧ и кончая самым высокими СВЧ, в настоящее время весьма перегружен. Поэтому задача выделения какого-либо участка диапазона радиочастот становится все более проблематичной.

Предлагаемое устройство в некоторой степени решает проблему увеличения объема передаваемой информации.

Для увеличения объема передаваемой информации в устройство, содержащее на передающей стороне последовательно соединенные генератор сигналов и разветвитель мощности, два выхода которого соединены соответственно с высокочастотными входами первого и второго амплитудных модуляторов, вторые входы которых подсоединены к двум выходам первого противофазного усилителя, первый и второй облучатели передающей антенны, причем второй облучатель передающей антенны соединен с выходом второго амплитудного модулятора; на приемной стороне содержащее первый и второй облучатели приемной антенны, первый сумматор и первый вычитатель, входы которых объединены, первый синхронный детектор, демодулятор амплитудный ограничитель, первый фазовращатель, на передающей стороне введены третий и четвертый амплитудные модуляторы, первые входы которых соединены с выходами разветвителя мощности, а вторые входы соединены с выходами второго противофазного усилителя, первый и второй фазовращатели, третий и четвертый облучатели передающей антенны, причем выход первого амплитудного модулятора соединен с первым облучателем передающей антенны через первый фазовращатель, выход третьего амплитудного модулятора соединен с входом третьего облучателя передающей антенны через второй фазовращатель, выход четвертого амплитудного модулятора соединен с входом четвертого облучателя; на приемной стороне введены третий и четвертый облучатели приемной антенны, второй сумматор и второй вычитатель, входы которых объединены и соединены с выходами третьего и четвертого облучателей, последовательно соединенные второй фазовращатель, вход которого соединен с выходом второго вычитателя, и второй синхронный детектор, между выходами первого и второго сумматоров присоединен третий сумматор, выход которого через амплитудный ограничитель соединен с входами первого и второго синхронных детекторов и с входом демодулятора, кроме того, выход первого вычитателя через первый фазовращатель соединен с входом первого синхронного детектора, а объединенные входы первого сумматора и первого вычитателя соединены с выходами первого и второго облучателей приемной антенны.

На фиг. 3 приведена функциональная схема предлагаемого устройства, где обозначены 1 генератор сигналов, 2 разветвитель мощности, 3, 4, 17, 20 - амплитудные модуляторы, 5, 19 парафазные усилители, 6, 7, 21, 22 - передающие антенны, 8, 9, 23, 24 приемные антенны, 10, 25, 26 сумматоры, 11, 27 вычитатели, 12, 16, 18, 28 фазовращатели, 13 амплитудный ограничитель, 14 демодулятор, 15, 29 синхронные детекторы.

Предлагаемое устройство имеет следующие связи.

Генератор сигналов 1, выход которого подключен к входу разветвителя мощности 2, четыре выхода которого подключены соответственно к входам первого 3, второго 4, третьего 17 и четвертого 20 амплитудных модуляторов, вторые входы первого 3 и второго 4 амплитудных модуляторов соединены с выходами первого 5 парафазного усилителя и вторые входы третьего 17 и четвертого 20 амплитудных модуляторов соединены с выходами второго 19 парафазного усилителя, выходы которого и четвертого 20 амплитудных модуляторов подключены соответственно к второй 7 и четвертой 22 передающим антеннам, а выход первого 3 и третьего 17 соответственно через первый 16 и второй 18 фазовращатели подключены к первой 6 и третьей 21 передающим антеннам, на приемной стороне - первая 8 и вторая 9 приемные антенны подключены к входам первого 10 сумматора и первого 11 вычитателя, выход первого 11 вычитателя через фазовращатель 12 на 90^o соединен с первым входом первого 15 синхронного детектора, второй вход которого соединен с входами демодулятора 14 и второго синхронного детектора 29 и выходом амплитудного ограничителя 13, вход которых подключен к выходу третьего 25 сумматора, два входа которых соединены соответственно с выходами первого 10 и второго 26 сумматоров, третья 23 и четвертая 24 приемные антенны подключены к входам второго 26 сумматора и второго 27 вычитателя, выход которого через второй 28 фазовращатель на 90^o соединен с входом второго 29 синхронного детектора.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Генератор сигналов 1, модулированный на фазе (или частоте) основным сообщением S₀, подаваемым на вход, формирует сигнал вида
U_c(t)=U_ccosψ(t)
где U_c амплитуда сигнала;
ψ(t)=ωt+Φ(t);
ω угловая частота;
v(t)) функция изменения фазы сигнала, соответствующая фазовой (или частотной) модуляции основным сообщением.

Этот сигнал поступает на вход разветвителя 2 мощности, где осуществляется разделение его мощности на четыре равные части и каждая из четырех частей поступает соответственно на вход одного из четырех 3, 4, 17, 20 амплитудных модуляторов, выполненных в виде управляемых высокочастотных усилителей. В модуляторах 3 и 4 амплитуда высокочастотных сигналов изменяется противофазно по закону дополнительного сообщения S₁, подаваемого на вход парафазного усилителя 5, а в модуляторах 17, 20 по закону дополнительного сообщения S₂, подаваемого на вход парафазного усилителя 19.

Сигналы на выходах модуляторов 3 и 4 будут соответственно равны
U₃(t) = U[1+f₁(t)]cosψ(t) (2)
U₄(t) = U[1-f₁(t)]cosψ(t) (3)
где f₁(t) функция изменения амплитуды сигнала, соответствующая дополнительному сообщению S₁.

Аналогично сигналы будут на выходах модуляторов 17 и 20, только вместо S₁(t) будет S₂(t), где f₂(t) функция изменения амплитуды, соответствующая дополнительному сообщению.

Сигнал (3) поступает в антенны 7 и 22 и излучается в пространство.

Сигнал на выходе фазовращателя 16 (также как и на выходе фазовращателя 18) будет иметь вид
U(t) = U[1+f₁₍₂₎(t)]cos(ψ(t)+Φ)
который поступает в антенны 6 и 21 и излучается в пространство:
где Φ фаза сигнала, с помощью которой можно получить максимум сигнала в точках приема (например, точка С, Д фиг.2).

Таким образом, с помощью фазовращателей 16 и 18 обеспечивается точность геометрических расстояний между передающими 6, 7 и приемными 8, 9 антеннами в плоскости XOZ, а также между передающими 21, 22 и приемными 23, 24 антеннами в плоскости YOZ, как показано на фиг. 4.

Для получения максимума напряжения принимаемого сигнала в антеннах 8 (точка С), 9 (точка D), 23 (точка К) и 24 (точка L) можно изменять расстояния как между передающими AB, EF, так и между приемными CD, KL.

Для более точного установления максимума принимаемого сигнала используются фазовращатели 16 и 18.

На фиг. 2 показано расположение в пространстве передающих 6, 7 и приемных 8, 9 антенн. Передающие и приемные антенны располагаются симметрично относительно оси ОО, соединяющей середины без антенн d_T и d_R. Здесь рассматривается случай, когда нет развязки между передающими и приемными антеннами, что имеет место при Z_T<d_T и Z_R<d_R, где Z_T и Z_R размеры спертур передающих и приемных антенн соответственно. Тогда диаграммы направленности антенн практически полностью перекрываются. Аналогичная картина будет и для других пар антенн, т.е. для передающих 21, 22 и приемных 23, 24.

На выходах приемных антенн 8, 9 и 23, 24 сигнал будет иметь вид:


где U_п амплитуда сигнала в месте приема, обусловленная излучением одной из передающих антенн;
ΔΦ разность фаз, возникающая от разности хода лучей, которая определяется как

где Δl время, необходимое для преодоления радиоволной расстояния Δl, разности хода лучей (см. фиг. 2);
c скорость света, которую можно выразить как
,
тогда
Из геометрических построений на фиг. 2 следует, что

Подставив (7) в (6) получим

где l длина волны;
D расстояние между передающей и приемной антеннами.

На выходах сумматоров 10, 26 и вычитателей 11, 27 будут действовать сигналы
U_Σ(t) = 2U_n{cosψ(t)+cos[ψ(t)-ΔΦ] (9)
U_Δ(t)= 2U_пf₁₍₂₎(t){cosψ(t)-cos[ψ(t)-ΔΦ] (10))
После преобразований получим


Из выражений (11) и (12) видно, что сигнал с выходов сумматоров 10 и 26 имеет только угловую модуляцию функций, поскольку ψ(t)=ωt+Φ(t), а сигнал на выходах вычитателей 11 и 27 имеет как угловую, так и амплитудную модуляцию функцией f₁₍₂₎(t). Необходимо отметить, что эта амплитудная модуляция есть результат пространственной модуляции сигнала, излучаемого передающими антеннами.

Радиолинию связи с дополнительной пространственной модуляцией сигнала можно рассматривать как двухканальную. Очевидно, что коэффициенты передачи сигналов в каналах угловой и пространственной модуляции являются периодическими функциями сдвига фаз ΔΦ, который является функцией расстояния между антеннами на передающей и приемной сторонах d_T и d_R дальности связи D и длины волны l. При эти коэффициенты передачи равны. При этом
(13)
(14)
Сигнал (13) с выходов сумматоров 10 и 26 поступает на третий сумматор 25, где суммируется и затем, проходя через амплитудный ограничитель 13, используется в качестве опорного сигнала для синхронных детекторов 15 и 29. Кроме того, этот же сигнал поступает на демодулятор 14, где выделяется основная информация S₀, обусловленная фазовой (или частотной) модуляцией, в генераторе сигналов 1.

Сигнал (14) с выходов вычитателей (11) и (27) через соответствующие фазовращатели на 90^o 12 и 28 поступает на сигнальные входы синхронных детекторов 15 и 29, с выходов которых снимается первая S₁ и вторая S₂ дополнительные информации, обусловленные амплитудными модуляциями в соответствующих 3, 4 и 17, 20 амплитудных модуляторах.

Фазовращатели 12 и 28 на 90^o необходимы для того, чтобы фазировать входной сигнал и опорный, поступающие на входы синхронных детекторов.

Что касается технико-экономического преимущества предлагаемого устройства, то здесь можно отметить следующее.

В настоящее время вопрос передачи все возрастающего объема информации стоит весьма остро. Здесь встают трудно разрешаемые вопросы расширения занимаемой полосы частот, назначения новых участков (диапазонов) частот, взаимные помехи и т.д.

Предлагаемое устройство позволяет без изменения ширины полосы частот увеличить объем передаваемой информации на одну треть, что и является преимуществом перед устройством-прототипом.

Реализация предлагаемого устройства не вызывает никаких затруднений, так как все блоки и узлы, входящие в него, общеизвестны и широко опубликованы в технической литературе.

Использование: в космических и наземных системах радиосвязи, использующих пространственную модуляцию. Сущность изобретения: устройство содержит генератор 1 сигналов, разветвитель мощности 2, амплитудные модуляторы 3, 4, 17, 20, парафазные усилители 5, 19, передающие антенны 6, 7, 21, 22, приемные антенны 8, 9, 23, 24, сумматоры 10, 25, 26, вычитатели 11, 27, фазовращатели 12, 16, 18, 28, амплитудный ограничитель 13, демодулятор 14, синхронные детекторы 15, 29. 4 ил.

Линия радиосвязи с пространственной модуляцией, содержащая на передающей стороне последовательно соединенные генератор сигналов и разветвитель мощности, два выхода которого соединены соответственно с высокочастотными входами первого и второго амплитудных модуляторов, вторые входы которых подсоединены к двум выходам первого противофазного усилителя, первый и второй облучатели передающей антенны, причем второй облучатель передающей антенны соединен с выходом второго амплитудного модулятора, на приемной стороне - первый и второй облучатели приемной антенны, первый сумматор и первый вычитатель, входы которых объединены, первый синхронный детектор, демодулятор, амплитудный ограничитель, первый фазовращатель, отличающаяся тем, что на передающей стороне введены третий и четвертый амплитудные модуляторы, первые входы которых соединены с выходами разветвителя мощности, а вторые входы соединены с выходами второго противофазного усилителя, первый и второй фазовращатели, третий и четвертый облучатели передающей антенны, причем выход первого амплитудного модулятора соединен с первым облучателем передающей антенны через первый фазовращатель, выход третьего амплитудного модулятора соединен с входом третьего облучателя передающей антенны через второй фазовращатель, выход четвертого амплитудного модулятора соединен с входом четвертого облучателя, на приемной стороне введены третий и четвертый облучатели приемной антенны, второй сумматор и второй вычитатель, входы которых объединены и соединены с выходами третьего и четвертого облучателей, последовательно соединенные второй фазовращатель, вход которого соединен с выходом второго вычитателя, и второй синхронный детектор, между выходами первого и второго сумматоров присоединен третий сумматор, выход которого через амплитудный ограничитель соединен с входами первого и второго синхронных детекторов и с входом демодулятора, выход первого вычитателя через фазовращатель соединен с входом первого синхронного детектора, а объединенные входы первого сумматора и первого вычитателя соединены с выходами первого и второго облучателей приемной антенны.