СИСТЕМА РАДИОСВЯЗИ Российский патент 1997 года по МПК H04B7/02 

Изобретение относится к области радиосвязи и может использоваться в космических и наземных радиолиниях связи с повторным использованием частоты.

Известны устройства с использованием поляризационной модуляции радиосигналов, в частности с эллиптической поляризацией волны, путем изменения параметров эллипса поляризации (Гусев К.Г. Филатов А.Д. Соплев А.П. 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 на трассе и взаимное положение передающей и приемной антенн постоянны, т.к. в противном случае возникает большой уровень взаимных помех между отдельными каналами радиолинии. Однако в большинстве случаев изменяются как параметры распространения сигналов, так и взаимное расположение антенн.

Известно такое устройство (патент США N 4087818), в котором повторное использование частоты в условиях изменения параметров среды распространения сигналов и взаимного положения антенны достигается за счет обеспечения ортогональности по поляризации двух передаваемых одновременно сигналов с круговой или линейной поляризацией. Эта ортогональность поддерживается с помощью автоматической цепи в виде замкнутого контура регулирования с применением специальных пилот-сигналов. Оно содержит передающее устройство, формирующее два сигнала, имеющие одинаковую частоту и взаимно ортогональные поляризации волны, приемное устройство, обеспечивающее раздельный прием указанных сигналов за счет их ортогональной поляризации. Однако это устройство в силу высоких требований к необходимой точности обеспечения ортогональности по поляризации передаваемых сигналов имеет сложную систему автоподстройки. Кроме того, реализация этого устройства требует специальной дополнительной линии связи.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство (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, облучатели 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 напряжения (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_c(t) = Ucos[ωt+Φ(t)] (1),
где U постоянная амплитуда сигнала;
Φ(t) функции 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:

где U₃(t) и U₄(t) сигналы на выходах модуляторов 3 и 4 соответственно;
U₁ постоянная амплитуда;
f(t) функции изменения амплитуды сигналов, соответствующая дополнительным сообщениям S_д.

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 одна относительно другой линейной или круговой поляризацией. Сигналы, которые излучает 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

где n_x(t) флуктуационная помеха в виде нормального гауссова шума составляющей оси X;
n_xu(t) импульсная помеха составляющей оси Х;
α угол рассогласования по поляризации.

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

В качестве демодулятора 16 используется синхронно-фазовый демодулятор (СФД) с устройством отбраковки аномальных перескоков фазы, кратных 2π радиан, 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 ИП. 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 a. 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 антенны.

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.

Устройству-прототипу присущ недостаток, заключающийся в том, что при использовании в нем шумоподобных сигналов с большими базами (4000 и более) наряду с хорошей помехозащищенностью и большим ансамблем сигналов значительно увеличивается время вхождения в синхронизм. Для уменьшения этого времени на практике используют многоканальные схемы поиска, которые обеспечивают сравнительно быстрое устранение неопределенности по задержке. Но при больших базах сигнала их реализация требует такого количества каналов, которое приводит к чрезвычайному усложнению аппаратуры.

Для устранения этого недостатка в устройство, содержащее на передающей стороне генератор сигналов, разветвитель мощности, выходы которого через первый и второй амплитудные модуляторы соединены с облучателями передающей антенны, вторые входы амплитудных модуляторов соединены с выходами противофазного усилителя; на приемной стороне, содержащей устройство поворота поляризации, входы которого соединены с облучателями приемной антенны, суммарно-разностное устройство, состоящее из сумматора и вычитателя, объединенные входы которых соединены с выходами устройства поворота поляризации, третий вход которого соединен с выходом первого ФНЧ, выход сумматора соединен со входом амплитудного ограничителя, а также содержащее синхронный детектор, выход которого соединен со входом первого ФНЧ, второй ФНЧ и демодулятор основных сообщений, введены на передающей стороне ГНТЧ, содержащий последовательно соединенные генератор несущей частоты и генератор тактовой частот, генератор ПСП, вход которого соединен с выходом ГНТЧ, блок начальной установки, дешифратор, один вход которого соединен с выходом блока начальной установки, другие входы соединены с выходами генератора ПСП, выход дешифратора соединен со входом противофазного усилителя, между выходом генератора ПСП и входом разветвителя мощности присоединен перемножитель, второй вход которого соединен с выходом генератора сигналов, второй вход которого соединен с выходом ГНТЧ; на приемной стороне введены последовательно соединенные рециркулятор, формирователь порога, схема сравнения, второй вход которой соединен с выходом рециркулятора, последовательно соединенные блок начальной установки, блок записи начальной установки, второй вход которой соединен с выходом схемы сравнений, генератор ПСП, перемножитель, интегратор, выход которого соединен со входом демодулятора основных сообщений, вход перемножителя объединен со входом синхронного детектора и соединен с выходом амплитудного ограничителя, второй вход синхронного детектора соединен с выходом вычитателя, а выход -со входом второго ФНЧ.

На фиг. 2 приведена функциональная схема предлагаемого устройства, где: 1 -генератор сигналов основных сообщений фазовый манипулятор; 2 разветвитель мощности; 3, 4 амплитудные модуляторы; 5 фазоинверсный усилитель; 6, 7 - облучатели передающей антенны; 8 передающая антенна; 9, 10 облучатели приемной антенны; 11 приемная антенна; 12 суммарно-разностное устройство; 13 -сумматор; 14 вычитающее устройство; 15 синхронный детектор; 16 - амплитудный ограничитель; 17 демодулятор; 18, 23 первый и второй ФНЧ; 19 - устройство поворота поляризации; 20 генератор несущей и тактовой частот; 21, 29 генератор ПСП; 22, 27 перемножители; 24 рециркулятор; 25 - формирователь порога; 26 схема сравнения; 28 интегратор; 30, 33 блоки начальной установки; 31 дешифратор; 32 блок записи начальной установки; 34 генератор несущей частоты; 35 генератор тактовой частоты.

Предлагаемое устройство имеет следующие связи. На передающей стороне первый выход генератора несущей и тактовой частот 20 (ГНТЧ) соединен со входом фазового манипулятора 1, на второй вход которого подается передаваемая информация, второй выход ГНТЧ 20 через генератор ПСП 21 и перемножитель 22 соединен со входом разветвителя мощности 2, два выхода которого соединены соответственно с первыми входами амплитудных модуляторов 3, 4, ко вторым входам которых подключены соответствующие выходы противофазного усилителя 5, вход которого подключен к выходу дешифратора 31, вход которого соединен с выходом блока начальной установки 30, а другие n-входы соответственно с n- выходами генератора ПСП 21; выходы амплитудных модуляторов 3, 4 подключены к облучателям 6, 7 передающей антенны 8 соответственно; второй вход перемножителя 22 соединен с выходом фазового манипулятора 1. На приемной стороне облучатели 9, 10 приемной антенны 11 подключены соответственно к двум входам устройства поворота поляризации 19, для выхода которого соединены со входами сумматора 13 и вычитателя 14 суммарно-разностного устройства 12, выход сумматора 13 через последовательно соединенные амплитудный ограничитель 16, перемножитель 27, интегратор 28 и демодулятор 17 соединен с выходом устройства, выход вычитателя 14 через синхронный детектор 15, второй ФНЧ 23, рециркулятор 24 соединен с первым входом схемы сравнения 26 и через формирователь порога 25 со вторым входом той же схемы сравнения, выход синхронного детектора 15, кроме того, через первый ФНЧ 18 подключен к управляющему входу устройства поворота 19, а выход амплитудного ограничителя 16, кроме того, соединен со вторым входом синхронного детектора 15, выход схемы сравнения 26 соединен с первым входом блока записи начальной установки 32, второй вход которого подключен к выходу блока начальной установки 33, а n-выходы блока записи 32 соединены с n-входами генератора ПСП 29, выход которого подключен ко второму входу перемножителя 27.

Работает предлагаемое устройство следующим образом. В передатчике генератор несущей и тактовых частот 20 (ГНТЧ) формирует сигнал несущей частоты, который с генератора 34 подается на один из входов фазового манипулятора 1, где осуществляется фазовая манипуляция его по закону информационного сигнала S_o, поступающего на второй вход фазового манипулятора 1. Проманипулированный по фазе сигнал с выхода фазового манипулятора 1 поступает на один из входов перемножителя 22, где перемножается двоичной ПСП, поступающей на второй вход этого перемножителя с генератора ПСП 21. Тактируется генератор ПСП 21 тактовыми импульсами, формируемыми генератором тактовых частот 35. На выходе перемножителя 22, таким образом, получается сигнал, представляющий собой колебание несущей частоты с постоянной амплитудой, манипулированный по фазе на 180^o по закону двоичной ПСП. Этот сигнал поступает на разветвитель мощности 2, где осуществляется разделение мощности сигнала пополам, и выдается соответственно по двум выходам на амплитудные манипуляторы 3, 4, выполненные в виде высокочастотных усилителей с двумя входами, на вторые входы которых подаются противофазные видеоимпульсы с тактовой частотой, равной длительности элемента информационного сигнала.

С генератора ПСП 21 сигнал параллельным кодом подается на дешифратор 31, который из этого сигнала формирует тактовые импульсы и выдает на вход противофазного усилителя 5, которые в противофазе подаются на вторые входы амплитудных модуляторов 3 и 4. Начальная установка этих тактовых импульсов задается блоком начальной установки 30. Таким образом, на выходах амплитудных модуляторов получается сигнал несущей частоты, проманипулированный по фазе и промодулированный по амплитуде тактовыми импульсами, выдаваемыми дешифратором 31. С выходов амплитудных модуляторов 3, 4 сигнал поступает соответственно на облучатели 6 и 7 передающей антенны 8, которая может быть реализована в виде зеркальной антенны с двумя облучателями или в виде вибраторных систем с соответствующими возбудителями. Облучатели 6 и 7 создают поля с ортогональной одна относительно другой линейной или круговой поляризацией.

Приемная антенна 11 конструктивно выглядит аналогично передающей 8, и облучатели 9, 10 имеют также взаимно ортагональную линейную или круговую поляризацию.

Принятый сигнал поступает на суммарно-разностное устройство 12, состоящее из сумматора 13, где сигнал принятый на облучатель 9 и 10, суммируется и вычитается, где получается разность этих же сигналов. Сигнал с выхода сумматора 13 через амплитудный ограничитель 16, который при наличии узкополосных помех, превышающих сигнал, ограничивает их, поступает на один из входов перемножителя 27, на второй вход которого подается опорный сигнал -псевдослучайная последовательность с генератора 29. Сигнал с выхода амплитудного ограничителя 16, кроме того, подается на один из входов синхронного детектора 15 в качестве опорного сигнала, на второй вход этого детектора разностной сигнал с выхода вычитающего устройства 14. На выходе синхронного детектора 15, таким образом, получили сигнал, содержащий постоянную составляющую, знак которой зависит от знака угла рассогласования a принимаемого сигнала с облучателями приемной антенны и которая равна
U₌= -KV_osinα,
где K коэффициент передачи синхронного детектора;
α угол рассогласования.

Эта составляющая выделяется с помощью низкочастотного узкополосного фильтра 18 и подается на устройство управления 19 положением осей поляризации облучателей 9, 19, которое повернет облучатели так, что угол a станет равным нулю. При рассогласовании в другую сторону (угол a отрицательный) указанная составляющая будет положительной и облучатели будут повернуты в противоположную сторону. Низкочастотный узкополосный фильтр 18 имеет полосу пропускания, значительно меньшую по сравнению с шириной полосы спектра полезного сигнала, и он может пропускать только медленно меняющиеся сигналы, обусловленные изменениями взаимного положения приемной антенны и приходящего сигнала.

Сигнал с выхода синхронного детектора 15, кроме того, подается на вход второго ФНЧ 22, который выделит огибающую импульса, который выдается дешифратором 31 на передающей стороне и которым был промодулирован сигнал в амплитудных модуляторах 3, 4. С выхода ФНЧ 23 огибающая импульса подается на рециркулятор 24, где осуществляется его накопление. Накопленный в рециркуляторе сигнал подается на первый вход схемы сравнения 26, где он сравнивается с пороговым напряжением, формируемым из того же сигнала формирователем порога 25. Видеоимпульс с выхода схемы сравнения 26 подается на синхронизирующий вход блока записи начальной установки 32, тем самым синхронизируя запись кода начальной установки из блока начальной установки 33, которая записана в блок 33 и может меняться, например, сменой ПЗУ или каким-либо другим способом. Следовательно, генератор ПСП 29 будет вырабатывать структуру сигнала в соответствии с начальной установкой подаваемой параллельным кодом с выхода блока записи 32. Таким образом, копии опорного сигнала, подаваемые на второй вход перемножителя 27 с генератора копий 29, будут точно совпадать во времени со структурой принятого сигнала и поступающего на первый вход перемножителя 27. С выхода перемножителя 27 информационный сигнал через интегратор 17 подается на выход устройства. Таким образом, если в устройстве-прототипе при использовании шумоподобных сигналов с большими базами наряду с хорошей помехозащищенностью и большим ансамблем сигналов значительно увеличивается время вхождения в синхронизм, для уменьшения которого на практике используют многоканальные схемы поиска, обеспечивающие сравнительно быстрое устранение неопределенности по задержке, но при больших базах сигнала их реализация требует такого количества каналов, что приводит к значительному усложнению и увеличению габаритов приемной аппаратуры, что не всегда желательно, то предлагаемое устройство позволяет значительно уменьшить время вхождения в синхронизм за счет применения специального синхроимпульса, что позволяет обходиться одноканальной схемой поиска, а это, в свою очередь, позволяет значительно упростить и уменьшить габариты приемной аппаратуры.

Пример реализации блока 32 записи начальной установки (комбинации) приведен в книге "Шумоподобные сигналы в системах передачи информации" /Под ред. В. Б. Пестрякова. М. Сов. радио, 1973, с. 150, рис. 425. Блоки 30 и 33 начальной установки ГПСП могут быть реализованы на ПЗУ или с помощью наборных полей из тумблеров, с помощью которых набираются комбинации 0,1 для любой структуры начальной установки. Остальные блоки и узлы общеизвестны и опубликованы в технической литературе.

Использование: в космических и наземных радиолиниях связи с повторным использованием частоты. Сущность изобретения: система радиосвязи содержит фазовый манипулятор 1, разветвитель мощности 2, амплитудные модуляторы 3, 4, фазоинверсный усилитель 5, облучатели передающей антенны 6, 7, передающую антенну 8, облучатели приемной антенны 9, 10, приемную антенну 11, суммарно-разностный блок 12, сумматор 13, вычитающий блок 14, синхронный детектор 15, амплитудный ограничитель 16, демодулятор 17, фильтры нижних частот 18, 23, блок управления положением осей поляризации 19, генератор несущей и тактовой частот 20, генераторы ПСП 21, 29, рециркулятор 24, формирователь порога 25, блок сравнения 26, интегратор 28, блоки начальной установки 30, 33, дешифратор 31, блок записи начальной установки 32, генератор несущей частоты 34, генератор тактовой частоты 35. 2 ил.

Система радиосвязи, содержащая на передающей стороне фазовый манипулятор, разветвитель мощности, выходы которого соединены с входами первого и второго амплитудных модуляторов, выходы которых соединены с облучателями передающей антенны, и фазоинверсный усилитель, выходы которого соединены с вторыми входами амплитудных модуляторов, а на приемной стороне блок управления положением осей поляризации облучателей приемной антенны, а управляющий вход соединен с выходами первого фильтра нижних частот, два выхода блока управления положением осей поляризации облучателей приемной антенны соединены с соответствующими входами сумматора и вычитателя, выход сумматора соединен с входами амплитудного ограничителя, а также синхронный детектор, выход которого соединен с входом первого фильтра нижних частот, второй фильтр нижних частот и демодулятор, отличающаяся тем, что на передающей стороне введены последовательно соединенные генератор несущей частоты и генератор тактовой частоты, генератор псевдослучайной последовательности, вход которого соединен с выходом генератора тактовой частоты, блок начальной установки, дешифратор, вход которого соединен с выходом блока начальной установки, другие входы дешифратора соединены с выходами генератора псевдослучайной последовательности, выход дешифратора подключен к входу фазоинверсного усилителя, выход генератора псевдослучайной последовательности подключен к первому входу перемножителя, выход которого подключен к входу разветвителя мощности, второй вход которого соединен с выходом фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора несущей частоты, на приемной стороне введены последовательно соединенные рециркулятор, формирователь порогового напряжения, блок сравнения, второй вход которого соединен с выходом рециркулятора, последовательно соединенные блок начальной установки, блок записи начальной установки, генератор псевдослучайной последовательности, перемножитель и интегратор, выход которого соединен с входом демодулятора, выход амплитудного ограничителя подключен к входам перемножителя и синхронного детектора, второй вход которого соединен с выходом вычитателя, выход синхронного детектора подключен к входу второго фильтра нижних частот, выход блока сравнения подключен к второму входу блока записи начальной установки.