СИСТЕМА РАДИОСВЯЗИ Российский патент 1997 года по МПК H04B7/02 

Изобретение относится к области радиосвязи и может использоваться в космических и наземных системах радиосвязи 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. Сопалев 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 по 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 также устройство (патент США N 4087818), в котором повторное использование частоты в условиях изменения параметров среды распространения сигналов и взаимного положения антенн 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 с одинаковой частотой со взаимно ортогональной поляризацией волны, приемное устройство, обеспечивающее раздельный прием указанных сигналов за счет их ортогональной поляризации.

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_с(t) = Ucos[ωt+Φ(t)] (1)1),
где U постоянная амплитуда сигнала;
Φ(t) функция изменения фазы сигнала, соответствующая частотной и фазовой модуляции основными сообщениями S₀;
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) функция 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 X;
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 синхронизации на время действия ИП.

В случае отсутствия на входе устройства ИП на выходе компаратора 26 сигнал запрета соответствует 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 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 другом случаях приводит к расширению полосы радиочастот. А как известно, диапазон радиочастот, начиная от самых низких ОНЧ и кончая самыми 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 разветвитель мощности, два выхода которого соединены соответственно с высокочастотными входами первого и второго амплитудных модуляторов, вторые входы которых подключены соответственно к двум выходам парафазного усилителя, выходы амплитудных модуляторов подключены к облучителям передающей антенны; на приемной стороне два облучателя (возбудителя) приемной антенны, через устройство управления поляризацией подключенные к двум входам сумматора и двум входам вычитающего устройства, синхронный детектор, выход сумматор соединен со входом амплитудного ограничителя, выход синхронного детектора через узкополосный низкочастотный фильтр подключен к управляющему входу устройства управления поляризацией, фазовый детектор и ФНЧ, введены: на передающей стороне опорный генератор, выход которого соединен со входами формирователя несущих частот, перемножителя и формирователя тактовых импульсов, выход которого соединен со входом синхронизатора, первый выход которого соединен со вторым входом перемножителя, выход которого соединен с первыми входами первого и второго смесителей, вторые входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами формирователя несущих частот, второй выход синхронизатора соединен со входом коммутатора, два выхода которого соединены с управляющими входами первого и второго ключей, сигнальные входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго смесителей, а выходы этих ключей соединены со входами сумматора, выход которого присоединен ко входу разветвителя мощности; на приемной стороне выход синхронного детектора через ФНЧ соединен с первым выходом устройства, выход ограничителя соединен со входом частотного детектора, выход которого соединен со вторым выходом устройства, со входами первого и второго полосовых фильтров, выходы которых соединены соответственно со входами первого и второго смесителей, вторые входы которых присоединены соответственно к двум выходам формирователя частот гетеродина, вход которого соединен с выходом опорного генератора, выходы же первого и второго смесителей присоединены ко входам второго сумматора, выход которого соединен со входом фазового детектора.

На фиг. 2 приведена функциональная схема предлагаемого устройства.

На передающей стороне: 1 опорный генератор; 2 разветвитель мощности; 3, 4 амплитудные модуляторы; 5 парафазный усилитель; 6, 7 облучатели передающей антенны; 8 передающая антенна; 19 перемножитель; 20, 25 - первый и второй смесители; 21, 26 первый и второй ключи; 22 сумматор; 23 - формирователь тактовых импульсов; 24 формирователь несущих частот; 27 - коммутатор; 28 синхронизатор.

На приемной стороне: 9, 10 возбудители приемной антенны; 11 приемная антенна; 12, 35 сумматоры; 13 вычитающее устройство; 14 синхронный детектор; 15 амплитудный ограничитель; 16 фазовый детектор; 17 - узкополосный низкочастотный фильтр; 18 устройство поворота поляризации; 29 - ФНЧ; 30 опорный генератор; 31 формирователь частот гетеродина; 32, 36 - смесители; 33, 37 фильтры полосовые; 34 частотный детектор.

Предлагаемое устройство имеет следующие функциональные связи.

На передающей стороне: опорный генератор 1, выход которого подключен ко входам перемножителя 19, формирователя несущих частот 24 и формирователя тактовых импульсов 23, выход которого соединен со входом синхронизатора 28, два выхода которого соединены соответственно со вторым входом перемножителя 19 и входом коммутатора 27, первый и второй выходы которого соединены соответственно с управляющими входами первого 21 и второго 26 ключей, входы которых подключены соответственно к выходам первого 20 и второго 25 смесителей, первые входы которых объединены и подключены к выходу умножителя 19, а вторые входы этих смесителей соединены соответственно с первым и вторым выходами формирователя несущих частот 24, выходы первого 21 и второго 26 ключей соединены со входами сумматора 22, выход которого подключен ко входу разветвителя мощности 2, два выхода которого соединены соответственно с первыми входами первого 3 и второго 4 амплитудных модуляторов, вторые входы которых подключены к выходам парафазного усилителя 5, выходы первого 3 и второго 4 амплитудных модуляторов подключены к первому 6 и второму 7 облучателям соответственно передающей антенны 8.

На приемной стороне: первый 9 и второй 10 возбудители приемной антенны 11 через устройство поворота поляризации 18 подключены ко входам сумматора 12 и вычитающего устройства 13, выход которого соединен с одним из входов синхронного детектора 14, второй вход которого подключен ко входам первого 33 и второго 37 фильтров и через амплитудный ограничитель 15 к выходу сумматора 12, выход синхронного детектора 14 через узкополосный низкочастотный фильтр 17 подключен к управляющему входу устройства поворота поляризации 18 и через ФНЧ 29 к одному из выходов устройства; выходы первого 33 и второго 37 фильтров соединены соответственно со входами первого 32 и второго 36 смесителей, вторые входы которых подключены к выходам формирователя частот гетеродина 31, вход которого соединен с выходом опорного генератора 30, выходы первого 32 и второго 36 смесителей соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора 35, выход которого через фазовый детектор 16 подключен к третьему выходу устройства, а выход амплитудного ограничителя 15, кроме того, через частотный детектор 34 подключен ко второму выходу устройства.

Работает предлагаемое устройство следующим образом. Опорный генератор 1 вырабатывает синусоидальные колебания с необходимой амплитудой и частотой, которые подаются на генератор тактовых импульсов 23 и на формирователь несущих частот 24.

Генератор 23 из синусоидальных колебаний формирует прямоугольные тактовые импульсы, которые подаются на синхронизатор 28 для тактирования информацией S₁ и информацией S₂. Формирователь же 24 несущих частот из синусоидальных колебаний, поступающих с опорного генератора 1, формирует два синусоидальных колебания с заданными частотами f₁ и f₂, которые используются в качестве частот гетеродинов для смесителей 20 и 25, на вторые входы которых подаются колебания опорного генератора, проманипулированные по фазе в фазовом манипуляторе 19 по закону передаваемой информации S₁, поступающей с синхронизатора 28. На выходах смесителей 20 и 25, таким образом, получаем два синусоидальных колебания, проманипулированных по фазе и отличающихся друг от друга только частотой. Эти колебания поступают соответственно на сигнальные входы ключей 21 и 26, на управляющие входы которых поступают символы S₂ от второго источника информации. Информационные символы S₂ с выхода синхронизатора поступают на коммутатор 27, где производится их посимвольное разделение, т. е. на один выход поступают только единичные символы, а на второй только нулевые символы. Этими разделенными символами производится управление ключами 21 и 26, в результате чего на выходе ключа 21 будет наблюдаться колебание в те отрезки времени, когда будет присутствовать, например, единичный символ информации S₂, а на выходе ключа 26 соответственно колебание соответствующее времени нулевого символа. В сумматоре 22 эти колебания суммируются, и таким образом получается непрерывное Ф.М. колебание, модулированное, кроме того, еще и по частоте. Этот сигнал поступает на разветвитель мощности 2, где осуществляется разделение его мощности пополам, и каждая половина поступает соответственно на высокочастотные входы первого 3 и второго 4 амплитудных модуляторов.

В этих модуляторах амплитуда приходящих высокочастотных сигналов изменяется противофазно по закону передаваемых дополнительных сообщений S₃, поступающих на вход парафазного усилителя 5. Высокочастотные сигналы, промодулированные по фазе, частоте и амплитуде, с выходов амплитудных модуляторов 3 и 4 поступают соответственно на облучатели 6 и 7 передающей антенны 8 и излучаются в пространство.

Принятый на приемную антенну 11 сигнал с помощью возбудителей 9 и 10 этой антенны поступает на входы сумматора 12 и вычитающего устройства 13. В сумматоре 12 производится частичное сглаживание амплитудной модуляции. Сигнал с выхода сумматора 12 через амплитудный ограничитель 15 поступает на один из входов синхронного детектора, который используется в качестве опорного сигнала, на другой вход этого синхронного детектора поступает сигнал с выхода вычитающего устройства. С выхода синхронного детектора снимается передаваемая информация S₃, обусловленная амплитудной модуляцией, которая через ФНЧ 29 поступает потребителю.

Сигнал с выхода синхронного детектора 14, кроме того, через узкополосный низкочастотный фильтр 17 поступает на управляющий вход устройства управления положением осей поляризации облучателей (возбудителей) 18, которое повернет облучатели так, что угол рассогласования между поляризацией приходящего сигнала и поляризацией облучателей приемной антенны будет равен нулю.

Сигнал с выхода амплитудного ограничителя, кроме того, поступает на фильтры 33 и 37 и частотный детектор 34, с помощью которого выделяется информация S₂. Амплитудный ограничитель необходим для устранения остаточной амплитудной модуляции.

С помощью фильтров 33 и 37 производится разделение сигнала по частоте, т. е. фильтр 33, например, настраивается на частоту, соответствующую частоте сигнала на выходе смесителя 20 передатчика, а фильтр 37 соответственно на частоту сигнала на выходе смесителя 25. С выходов фильтров 33 и 37 сигнал, разделенный по частоте, поступает на сигнальные входы первого 32 и второго 36 смесителей соответственно. На вторые входы этих смесителей подаются сигналы гетеродинов, сформированные в формирователе частот гетеродина 31 из колебаний опорного генератора 30. Частоты гетеродинов выбираются с таким расчетом, чтобы на выходах первого 32 и второго 36 смесителей привести сигналы к одной частоте (полосе частот). Эти сигналы поступают на входы сумматора 35, где суммируются, и на выходе его получается непрерывный фазоманипулированный сигнал, приведенный к одной частоте (полосе частот), который поступает на вход фазового детектора 16 для выделения принятой информации S₁.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет расширить функциональные возможности с незначительным усложнением аппаратуры и практически теми же энергетическими затратами, что и является технико-экономическим преимуществом перед устройством-прототипом.

Реализация предлагаемого устройства возможна обычными техническими средствами и не вызывает никаких затруднений, т.к. все блоки и узлы, входящие в него, общеизвестны и широко освещены в технической литературе.

Использование: в космических и наземных радиолиниях связи с повторным использованием частоты. Сущность изобретения: система радиосвязи содержит генератор 1, формирователи тактовых импульсов 23, формирователи несущих частот 24, перемножитель 19, смесители 20, 25, ключи 21, 26, сумматор 22, фильтр нижних частот 29, полосовые фильтры 33, 37, смесители 32, 36, сумматор 35, частотный детектор 34, опорный генератор 30 и формирователь частот гетеродина 31. 2 ил.

Система радиосвязи, содержащая на передающей стороне генератор сигналов, разветвитель мощности, два выхода которого соединены соответственно с высокочастотными входами первого и второго амплитудных модуляторов, другие входы которых подключены соответственно к двум выходам противофазного усилителя, выходы амплитудных модуляторов подключены к облучателям передающей антенны, на приемной стороне два облучателя приемной антенны через блок управления положением осей поляризации облучателей приемной антенны подключены к двум входам вычитающего блока синхронный детектор, выход сумматора соединен с входом, амплитудного ограничителя, выход синхронного детектора через узкополосный-низкочастотный фильтр подключен к управляющему входу блока управления положением осей поляризации облучателей приемной антенны, фазовый детектор, выход которого является первым выходом системы радиосвязи, и фильтр нижних частот, отличающаяся тем, что на передающей стороне введены перемножитель, два смесителя, два ключа, сумматор, формирователь тактовых импульсов, формирователь несущих частот, коммутатор, синхронизатор, а генератор сигналов является опорным, при этом выход опорного генератора соединен с входами формирователя несущих частот, перемножителя и формирователя тактовых импульсов, выход которого соединен в входом синхронизатора, первый выход которого соединен с первыми входами первого и второго смесителей, вторые входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами формирователя несущих частот, второй выход синхронизатора соединен с входом коммутатора, два выхода которого соединены с управляющими входами первого и второго ключей, сигнальные входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго смесителей, а выходы этих ключей соединены с входами сумматора, выход которого присоединен к входу разветвителя мощности, а на приемной стороне введены опорный генератор, формирователь частот гетеродина, два смесителя, два полосовых фильтра, частотный детектор, причем выход синхронного детектора соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого является вторым выходом системы радиосвязи, выход ограничителя соединен с входом частотного детектора, выход которого является третьим выходом системы радиосвязи, а также с входами первого и второго полосовых фильтров, выходы которых соединены соответственно с входами первого и второго смесителей, вторые входы которых присоединены соответственно к двум выходам формирователя частот гетеродина, вход которого соединен с выходом опорного генератора, выходы первого и второго смесителей присоединены к входам второго сумматора, выход которого соединен с входом фазового детектора.