УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОИСКА РАДИОСТАНЦИЙ Российский патент 1997 года по МПК H03J7/32 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиодиспетчерских пунктах мониторинга для анализа сигнальной обстановки в регионе, для автоматического поиска и обнаружения сигналов радиостанций, постоянно сменяющих рабочие частоты.

Известно устройство для выделения импульсных сигналов на фоне шумов и импульсных помех [1] содержащее два формирователя импульсов стандартной длительности, линию задержки, блок памяти, два элемента И, селектор радиоимпульсов, амплитудный детектор, пороговый элемент, счетчик импульсов, генератор опорных импульсов, блок сравнения.

Также известно устройство для приема тональных частот [2] содержащее согласующий блок, формирователь импульсов, формирователь запускающих импульсов, генератор тактовых импульсов, два счетчика, два элемента И, два постоянных запоминающих блока, два счетчика, элемент ИЛИ, регистр, блок сравнения.

Такие схемы аналогов позволяют вести поиск радиосигналов, однако имеют низкую вероятность обнаружения требуемого сигнала при частых сменах передатчиком рабочих частот.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному устройству (прототипом) является известное устройство автоматического поиска каналов радиосвязи [3] Данное устройство содержит блок опорных частот, приемник, преобразователь сигналов, регистр, формирователь управляющих сигналов, демультиплексор, K дополнительных регистров, мультиплексор, индикатор, распределитель, блок сравнения, блок начальной установки. Благодаря такой схеме устройство обеспечивает поиск каналов радиосвязи с минимальным уровнем помех. Кроме того, устройство может вести поиск работающих радиостанций путем измерения энергетики принимаемых сигналов.

Однако устройство-прототип имеет недостаток. При частых сменах радиостанциями рабочих частот устройство не обеспечивает требуемой вероятности обнаружения рабочего канала связи, так как сигналы различных станций могут иметь одинаковую энергетику.

Целью изобретения является разработка устройства автоматического поиска радиостанций, обеспечивающего более высокую вероятность обнаружения каналов связи и низкие временные затраты поиска при частых сменах рабочих частот наблюдаемыми радиостанциями.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство автоматического поиска радиостанций, содержащее последовательно соединенные блок опорных частот, приемник с антенной и регистратор сигнала, а также регистр и блок сравнения дополнительно введены синтезатор частот, N полосовых фильтров, N пороговых устройств, второй регистр, запоминающее устройство, инвертор, генератор тактовой частоты, широкополосный антенный усилитель с антенной. (N соответствует количеству применяемых радиостанцией фиксированных частот). К N выходам синтезатора частот подключены N полосовых фильтров, к вторым входам которых подключен широкополосный антенный усилитель, а выходы фильтров соединены с соответствующими входами N пороговых устройств, выходы которых соединены с соответствующими входами первого и второго регистров. Выходы регистров подключены к соответствующим входам блока сравнения, к выходу которого подключено перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ). Выход ППЗУ соединен с входом блока опорных частот. Второй выход приемника соединен с вторым входом первого регистра и с входом инвертора, выход которого подключен к второму входу второго регистра и к второму входу ППЗУ. К первым входам первого и второго регистров подключен выход генератора тактовой частоты.

Введение новых элементов позволяет обнаружить наблюдаемую радиостанцию при ее сканировании по N применяемым фиксированным частотам путем запоминания состояний сигнальной обстановки всего диапазона используемых радиостанцией частот до момента смены передатчиком рабочей частоты и сравнения с состоянием диапазона после ее смены. Настройка приемника производится только на ту частоту, на которой появился сигнал в данный момент времени.

На фиг. 1 показана общая структурная схема заявленного устройства; на фиг. 2 схема блока сравнения; на фиг. 3 рисунок, поясняющий формулу (1); на фиг. 4 график зависимости вероятности обнаружения радиостанции от времени распознавания; на фиг. 5 рисунок, поясняющий принцип обнаружения радиостанции.

Заявленное устройство, структурная схема которого показана на фиг. 1, состоит из блока опорных частот 1, приемника 2, регистратора 3, синтезатора частот 4, N полосовых фильтров 5, N- пороговых устройств 6, первого регистра 7, второго регистра 8, блока сравнения 9, перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ) 10, инвертора 11, генератора тактовой частоты 12, широкополосного антенного усилителя (ШАУ) 13.

Выход блока опорных частот 1 соединен с входом приемника 2. Выход 2.1 приемника 2 соединен с входом регистратора 3. N выходов 4.1 4.n синтезатора частот 4 соединены с соответствующими входами 5.1.1 5.n.1 N полосовых фильтров 5.1 5.n. Выходы N полосовых фильтров 5.1 5.n соединены с соответствующими входами N пороговых устройств 8.1 8.n, выходы которых подключены к соответствующим входам 7.3.1 7.3.n регистра 7 и входам 8.3.1 - 8.3.n регистра 8. Выход ШАУ 13 соединен с входами 5.1.2 5.n.2 фильтров 5.1 - 5.n. Выход генератора тактовой частоты 12 соединен с входом 7.1 регистра 7 и с входом 8.1 регистра 8. Выход приемника 2.2 соединен с входом 7.2 регистра 7 и с входом инвертора 11. Выход инвертора 11 соединен с входом 8.2 регистра 8 и с входом 10.2 ППЗУ 10. Выходы регистров 7 и 8 n-разрядные и соединены n-разрядными шинами с входом 9.1 блока сравнения 9 выход регистра 7 и с входом 9.2 блока сравнения 9 выход регистра 8. Выход блока сравнения 9 - выход регистра 8. Выход блока сравнения 9 n-разрядный и соединен n-разрядной шиной с входом 10.1 ППЗУ 10. Выход ППЗУ k-разрядный и соединен k-разрядной шиной с входом блока опорных частот 1.

Блок опорных частот 1 и приемник 2 аналогичны, как в устройстве поиска каналов (авт. св. СССР N 1515373, кл. H 04 B 1/10, 1989). Кроме того, в качестве блока опорных частот и приемника можно использовать серийно выпускаемое радиоприемное устройство P-399A "Катран", где данные блоки технически реализованны. В качестве регистратора 3 применимо любое оконечное оборудование для регистрации сигнала в зависимости от вида модуляции и кодирования принимаемого сигнала. Например, для приема сигналов частотной телеграфии применим демодулятор "БУК-Д" с телетайпом типа "РТА-7М". В качестве синтезатора частот 4 можно использовать любой серийно впускаемый синтезатор частот, обеспечивающий генерацию N колебаний с частотами, соответствующими диапазону работы наблюдаемых радиостанций. Также можно использовать N кварцевых генераторов требуемых частот. В качестве полосовых фильтров 5 можно использовать любые полосовые фильтры с полосой пропускания, соответствующей полосе спектра, занимаемой наблюдаемой радиостанцией, например, построенных по алгоритмам, описанным в книге (Цифровые фильтры и устройства обработки сигналов на интегральных микросхемам. Под ред. В.Ф.Высоцкого, М. Радио и связь, 1984). В качестве ШАУ 13 применим любой серийно выпускаемый широкополосный антенный усилитель в зависимости от наблюдаемого диапазона частот. Так для диапазона декаметровых волн можно использовать серийно выпускаемые ШАУ "Ландыш", "Акация". Регистры 7 и 8 параллельные регистры с управляющим входом разрешения записи могут быть реализованы на микросхемах серий 133, 134, 155, 555, 176, 561, 531, 533, 564. ППЗУ 10 может быть реализовано на микросхемах серий 556, 573. Инвертор 11 может быть реализован на микросхемах серий 133, 134, 155, 555, 176, 561, 531, 533. В качестве генератора тактовой частоты 12 может быть применен любой кварцевый генератор прямоугольных импульсов требуемой частоты. В качестве пороговых устройств 6 могут быть использованы решающие схемы серийно выпускаемых приемников.

Блок сравнения 9 может быть реализован по схеме, показанной на фиг. 2. В частности схема включает N логических элементов ИЛИ-НЕ 91.1 91.n, N логических элементов И 92.1 92.n, N логических элементов И 93.1 93.n.

Первые входы 91.1.1 91.n.1 элементов ИЛИ-НЕ 91.1 91.n являются n-разрядным входом 9.1 блока сравнения 9. Вторые входы элементов ИЛИ-НЕ 91.1 - 91. n замкнуты на корпус. Первые входы 92.1.1 92.n.1 элементов И 92.1 92.n являются n-разрядным входом 9.2 блока сравнения 9. На вторые входы элементов И 92.1 92.n подано напряжение питания. Выходы элементов ИЛИ-НЕ 91.1 91.n соединены с соответствующими входами 93.1.1 93.n.1 логических элементов И 93.1 93. n. Выходы элементов И 92.1 92.n соединены с соответствующими входами 93.1.2 93.n.2 логических элементов И 93.1 93.n. Выходы элементов И 93.1 93.n являются n-разрядным выходом блока сравнения 9.

Логические элементы ИЛИ-НЕ и И могут быть реализованы на микросхемах серий 133, 134, 155, 555, 176, 561, 531, 533, 564.

Заявленное устройство работает следующим образом.

Блок опорных частот 1 обеспечивает формирование высокостабильных колебаний для приема сигналов на фиксированных частотах. Вход блока опорных частот цифровой, k-разрядный. На этот вход поступают кодовые комбинации фиксированных частот выхода ППЗУ 10. С выхода блока опорных частот поступают высокостабильные колебания для обеспечения приема на фиксированных частотах. Высокостабильные колебания, соответствующие i-й фиксированной частоте, подаются на управляющий вход приемника 2. Приемник 2 обеспечивает прием сигналов на фиксированных частотах. С выхода 2.1 принятый сигнал поступает на регистратор, где регистрируется. Для отслеживания сигнальной обстановки на применяемых наблюдаемой радиостанцией частотах в устройство введены N полосовых фильтров 5 с полосой, соответствующей полосе, занимаемой спектром радиопередачи. Настройка каждого фильтра на i-ю фиксированную частоту производится с помощью синтезатора частот 4, который вырабатывает N высокостабильных колебаний требуемых частот. Широкополосный сигнал от всего наблюдаемого диапазона частот, усиленный ШАУ 13, поступает на входы фильтров 5, которые выделяют требуемые полосы фиксированных частот. К выходу каждого фильтра подключено пороговое устройство. Пороговые устройства 6 измеряют уровни сигналов, выделяемых фильтрами, и в случае наличия сигнала P_сиг.>P_порог. вырабатывают единичные уровни или, в случае его отсутствия P_сиг.<P_порог., нулевые уровни. Единичные и нулевые уровни с выходов пороговых устройств подаются параллельно на информационные входы регистров 7 и 8. Приемник 2 производит измерение уровня принимаемого сигнала. В случае наличия сигнала на входе приемника P_сиг.>P_порог., приемник на выходе 2.2 (выход решающей схемы) вырабатывает единичный уровень, который подается на вход разрешения записи первого регистра 7, который осуществляет запись сигнальных состояний диапазона согласно последовательности импульсов тактовой частоты, которую вырабатывает генератор тактовой частоты 13. Тактовая частота F_т выбирается из необходимого времени распознавания наблюдаемого сигнала и поступает на тактовые входы 7.1 и 8.1 регистров 7 и 8. На вход разрешения записи 8.2 второго регистра 8 поступает через инвертор 11 нулевой уровень, запрещающий запись информации в регистр 8. При пропадании сигнала на входе приемника 2, приемник на выходе 2.2 вырабатывает нулевой уровень, который запрещает запись в первый регистр 7. На N выходах регистра 7 остается неизменной информация о сигнальной обстановке на момент тактового импульса перед выключением передатчика на i-й фиксированной частоте. На вход 8.2 регистра 8 поступает единичный уровень, который разрешает запись, и на N выходах регистра 8 формируются состояния сигнальной обстановки на момент первого тактового импульса после пропадания наблюдаемого сигнала. С N-разрядных выходов обоих регистров информация о сигнальной обстановке до и после пропадания наблюдаемого сигнала на входе приемника в параллельном виде по N-разрядным шинам поступает на соответствующие входы блока сравнения 9. Выход блока сравнения 9 также N-разрядный и соединен N-разрядной шиной с N-разрядным адресным входом ППЗУ 10. Количество адресных входов ППЗУ 10 N и выбирается в зависимости от числа применяемых радиостанцией фиксированных частот. Блок сравнения 9 вырабатывает единичный уровень на том i-м выходе, где нулевому состоянию i-го выхода регистра 7 соответствует единичное состояние i-го выхода регистра 8. На остальных выходах блока сравнения 9 нулевые уровни. ППЗУ 10 запрограммировано таким образом, что каждому адресу, соответствующему i-му выходу блока сравнения 9, соответствует код фиксированный частоты. Выход ППЗУ 10 K-разрядный в зависимости от длины кодовой комбинации фиксированной частоты. При поступлении с блока сравнения 9 единичного уровня по какому-либо i-му разряду N-разрядного выхода на адресный вход ППЗУ 10 и при наличии единичного уровня на входе разрешения считывания 10.2 ППЗУ 10, который поступает с инвертора 11, ППЗУ 10 вырабатывает код фиксированной частоты, который в параллельном виде по K-разрадяной шине поступает на вход блока опорных частот 1, тем самым настраивая приемник на требуемую фиксированную частоту. В случае необнаружения сигнала, процесс повторится со следующим тактом тактовой последовательности. При обнаружении сигнала на выходе 2.2 приемника 2 формируется единичный уровень, который разрешит запись в первый регистр 7, а нулевой уровень с выхода инвертора 11 запретит запись во второй регистр 8 и считывание ППЗУ 10.

Блок сравнения 9 работает следующим образом.

На первые входы 91.1.1 91.N.1 N логических элементов ИЛИ-НЕ 91.1 91.N поступают нулевые и единичные уровни с выходов первого регистра 7. Вторые входа элементов ИЛИ-НЕ замкнуты на корпус. Так как искомый сигнал при смене передатчиком рабочей частоты может появиться только на свободной (незанятой) фиксированной частоте, то сначала требуется определить все нулевые состояния выходов регистра 7. На выходах N элементов ИЛИ-НЕ появится единичный уровень только там, где на первый вход поступит нулевой уровень с выхода регистра 7. С выходов элементов ИЛИ-НЕ нулевые и единичные уровни поступают на соответствующие первые входы 93.1.1 93.N.1 N логических элементов И 93.1 - 93.N. На первые входы 92.1.1 92.N.1 N логических элементов И 92.1 92.N поступают нулевые и единичные уровни с выходов второго регистра 8. На вторые входы элементов И подано напряжение питания. С выходов элементов И единичные и нулевые уровни, соответствующие состояниям выходов второго регистра 8 (состояние диапазона после смены передатчиком рабочей частоты), поступают на вторые входы 93.1.2 93. N 2 N логических элементов И 93.1 93.N. I-й логический элемент И 93.i вырабатывает единичный уровень только при поступлении на его входы двух единичных уровней, т.е. в том случае, когда при смене наблюдаемым передатчиком рабочей частоты на ранее незанятой частоте появится сигнал в данный момент времени.

Обоснование положительного эффекта предлагаемого устройства осуществлено следующим образом.

Показателем эффективности систем автоматического мониторинга сигнально-помеховой обстановки является вероятность обнаружения сигналов при поиске новой рабочей частоты (канала связи) наблюдаемой радиостанции, если в результате воздействия комплекса помех передатчик вынужден часто производить смену рабочих частот для достижения требуемого качества связи.

Задача состоит в том, чтобы достигнуть максимальной вероятности обнаружения сигнала при минимальных затратах времени на анализ.

Скорость перестройки приемника при поиске требуемого сигнала ограниченна и период перестройки по N фиксированным частотам может оказаться больше длительности принимаемых сигналов. В этом случае время существования сигнала на определенных частотах не всегда будет совпадать с временем просмотра соответствующего участка полосы обзора приемником. Поэтому сигналы будут обнаруживаться с определенной вероятностью, зависящей от скорости анализа и длительности сигнала, излучаемого на i-й фиксированной частоте.

При перестройке передатчика по N фиксированным частотам вероятность обнаружения данного передатчика будет соответствовать вероятности частотно-временного совпадения частоты настройки приемника с текущей частотой искомого сигнала. Если принять, что длительность опроса канала постоянна t_c const, то период перестройки по N фиксированным частотам будет равен:
T N•t_c,
где t_c время, в течение которого обеспечивается опрос i-й установленной фиксированной частоты;
N количество фиксированных частот (Фиг. 3).

Скорость перестройки приемника в пределах всего диапазона поиска будет равна:
γ = Φ_o/T = Φ_oNt_c,
где Φ_o полоса, занимаемая N частотами.

Для оценки вероятности частотно-временного совпадения частоты настройки приемника с текущей рабочей частотой передатчика воспользуемся соотношением (1):

где Δt_o время регистрации сигнала, необходимое для его обнаружения;
Δf полоса частот передачи;
τ_c const длительность сигнала, излучаемого на каждой фиксируемой частоте.

С учетом, что: Φ_o = γ•Nt_c

Так как Δf/γ t_c время просмотра элементарного участка диапазона (время опроса канала)

Если принять, что время просмотра элементарного участка диапазона равно времени, необходимому для распознавания сигнала

Очевидно, что P_совп 0, при τ_c/Δt_р ≅ 1 и P_совп 1, если τ_c/Δt_р > N+1 Также очевидно, что вероятность частотно-временного совпадения будет выше при уменьшении времени распознавания. График зависимости P_совп P(Δt_р) приведен на (фиг. 4, график 1).

Повысить вероятность обнаружения можно путем уменьшения времени анализа элементарного участка диапазона, что невозможно из-за ограниченности необходимого времени регистрации сигнала. Следовательно единственный путь - это уменьшение количества анализируемых элементарных участков диапазона, что достигается предлагаемым устройством путем запоминания состояний сигнальной обстановки всего диапазона используемых частот в момент смены передатчиком рабочей частоты и сравнения с состоянием диапазона после ее смены. Настройка приемника производится только на ту частоту, на которой появился сигнал в данный момент времени.

Принцип определения требуемой частоты показан на фиг. 5, где на графике 1 показано состояние диапазона частот до смены передатчиком рабочей частоты; на графике 2 состояние диапазона частот в момент смены рабочей частоты; на графике 3 состояние диапазона частот после смены рабочей частоты; на графике 4 частота настройки приемника.

Из фигуры видно, что передатчик, изначально работающий на частоте F_m, произвел перестройку на частоту F₂, которая и будет искомой рабочей частотой, так как на остальных частотах сигнал отсутствует и нет надобности в их просмотре или присутствует сигнал, который присутствовал до смены наблюдаемым передатчиком рабочей частоты, следовательно принадлежащий не наблюдаемой радиостанции.

Из изложенного можно сделать вывод, что в процессе поиска радиостанции при смене ей рабочей частоты нет необходимости тратить время на осуществление перестройки приемника по всем применяемым ей N фиксированным частотам, а достаточно провести анализ одной, вновь включающейся частоты. Тогда вероятность обнаружения можно записать в виде:
P_совп = τ_c/Δt_р-1,
которая при фиксированном времени распознавания сигнала зависит только от времени излучения сигнала на фиксированной частоте. Зависимость вероятности обнаружения от времени распознавания представлена на (фиг. 4, график 2), откуда видно, что при сокращении времени анализа с T до Δt_р достигается увеличение вероятности обнаружения с 0,3 до 0,99 для типовых условий функционирования, что подтверждает существенный положительный эффект от внедрения предлагаемого устройства.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиодиспетчерских пунктах мониторинга для анализа сигнальной обстановки в регионе, для автоматического поиска и обнаружения радиостанций, постоянно сменяющих рабочие частоты. Решаемая изобретением задача - повышение вероятности обнаружения каналов связи при частых сменах рабочих частот наблюдаемыми радиостанциями. Для достижения указанной задачи устройство автоматического поиска радиостанций включает блок опорных частот 1, приемник 2, регистратор 3, синтезатор частот 4, N - полосовых фильтров 5, N-пороговых устройств 6, первый регистр 7, второй регистр 8, блок сравнения 9, перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) 10, инвертор 11, генератор тактовой частоты 12, широкополосный антенный усилитель (ШАУ) 13. При такой схеме оказывается возможным идентифицировать наблюдаемую радиостанцию при ее сканировании по нескольким применяемым фиксированным частотам, путем запоминания состояний сигнальной обстановки всего диапазона используемых радиостанцией частот до момента смены передатчиком рабочей частоты и сравнения с состоянием диапазона после ее смены. Настройка приемника производится только на ту частоту, на которой появился сигнал в данный момент времени. 5 ил.

Устройство автоматического поиска радиостанций, содержащее блок опорных частот, соединенный с управляющим входом приемника с антенной и регистратор сигнала, а также первый регистр и блок сравнения, отличающееся тем, что дополнительно введены синтезатор частот, N полосовых фильтров, N пороговых устройств, второй регистр, перепрограммируемое запоминающее устройство, инвертор, генератор тактовой частоты, широкополосный антенный усилитель и подключенная к нему антенна, причем к N выходам синтезатора частот подключены N полосовых фильтров, к вторым входам которых подключен широкополосный антенный усилитель, а выходы полосовых фильтров соединены с соответствующими входами N пороговых устройств, выходы которых соединены с соответствующими входами первого и второго регистров, выходы которых подключены к соответствующим входам блока сравнения, к выходу которого подключено перепрограммируемое запоминающее устройство, выход которого соединен с входом блока опорных частот, кроме того, второй выход приемника соединен с вторым входом первого регистра и входом инвертора, выход которого подключен к второму входу второго регистра и второму входу перепрограммируемого запоминающего устройства, а к первым входам первого и второго регистров подключен выход генератора тактовой частоты.