ЛИНИЯ РАДИОСВЯЗИ С ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННЫМ ШПС Российский патент 2000 года по МПК H04B1/713 H04B7/216 H04L27/28 

Изобретение относится к области передачи дискретной информации и может быть использовано в радиоканалах для осуществления передачи информации в космических и наземных системах связи, использующих шумоподобные сигналы - ШПС.

Известны системы радиосвязи с шумоподобными сигналами, например, по а.с. N 651492, которое служит для передачи дискретной информации. Основным недостатком этой системы является низкая помехоустойчивость в условиях воздействия помех с сосредоточенным спектром, который обусловлен неоптимальностью алгоритма обработки сигнала по отношению к таким помехам.

Известна также широкополосная система связи с ШПС (см. Л.Е. Варакин "Системы связи с шумоподобными сигналами", М., "P и C", 1985 г., стр. 16, рис. 1, 7), предназначенная для передачи дискретных сообщений. Так как в данное устройство входит согласованный фильтр, то с помощью этого устройства практически возможен только некогерентный прием ортогональных сигналов, что приводит к недостаточной помехоустойчивости информации, поскольку более высокая помехоустойчивость обеспечивается при когерентном приеме и использовании противофазных сигналов. Кроме того, практическая реализация согласованных фильтров при больших базах сигнала представляет собой сложную техническую задачу.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому объекту является линия радиотелефонной связи с фазоманипулированным ШПС, приведенная в книге Л. Е. Варакин "Системы связи с шумоподобными сигналами". М., "P и C", 1985 г., стр. 18, рис. 1, 9, принятая за прототип.

Функциональная схема устройства-прототипа приведена на фиг. 1, где введены обозначения.

1 - источник информации;
2 - широтно-импульсный модулятор;
3 - фазовый модулятор;
4 - балансный модулятор;
5 - усилитель мощности;
6 - генератор ФМ;
7 - генератор несущей частоты;
8 - синхронизатор;
9 - передающая антенна;
10 - приемная антенна;
11 - смеситель;
12 - усилитель промежуточной частоты (УПЧ);
13 - коррелятор;
14 - демодулятор;
15 - получатель информации;
16 - гетеродин;
17 - генератор ФМ;
18 - синхронизатор.

Устройство-прототип имеет следующие функциональные связи. Передающее устройство: последовательно соединенные источник информации 1, широтно-импульсный модулятор 2, фазовый модулятор 3, балансный модулятор 4 и усилитель мощности 5, выход которого соединен с передающей антенной 9, второй вход широтно-импульсного модулятора 2 соединен с одним из выходов синхронизатора 8, второй выход которого через генератор ФМ 6 соединен со вторым входом фазового модулятора 3, а выход генератора несущей частоты 7 соединен со вторым входом балансного модулятора 4. Приемное устройство: приемная антенна 10 соединена с одним из входов смесителя 11, второй вход которого присоединен к выходу генератора 16, вход которого соединен с первым выходом синхронизатора 18, выход смесителя 11 через УПЧ 12 соединен с одним из входов коррелятора 13, выход которого через демодулятор 14 соединен со входом получателя информации 15, второй выход синхронизатора 18 присоединен ко второму генератору ФМ 17, выход которого соединен со вторым входом коррелятора 13, третий вход которого присоединен к третьему выходу синхронизатора 18 и второму входу демодулятора 14, а вход синхронизатора 18 соединен с выходом коррелятора 13.

Работает устройство-прототип следующим образом.

Телефонное сообщение (фиг. 2а) от источника информации 1 поступает на вход широтно-импульсного модулятора 2. С выхода ШИМ сигнал (фиг. 2б) подается на вход фазового модулятора 3, на второй вход которого подается ФМ ШПС (фиг. 2в), формируемый генератором ФМ 6. Фазоманипулированный сигнал с выхода фазового модулятора 3 (фиг. 3г), содержащий информацию, поступает на вход балансного модулятора 4, в котором осуществляется балансная модуляция колебания с несущей частотой от генератора несущей частоты 7. Затем усиленный по мощности усилителем мощности 5 ФМ сигнал через антенну 9 излучается в пространство. Работой шарнирно-импульсного модулятора 2 и генератора ФМ сигнала 6 управляет синхронизатор 8, который вырабатывает необходимые частоты и управляющие сигналы.

В приемнике принятый приемной антенной 10 сигнал поступает в смеситель 11, где с помощью гетеродина 16 переносится на промежуточную частоту и после УПЧ 12 поступает на коррелятор 13, который состоит из перемножителя и интегратора. На второй вход коррелятора 13 подается опорный сигнал с генератора ФМ 17 в виде ФМ ШПС (фиг. 2в) и в этом корреляторе 13 производится оптимальная обработка принятого сигнала. На выходе коррелятора 13, таким образом, напряжение содержит телефонные сообщения в виде ШИМ сигнала, который затем подается на вход демодулятора 14 и с выхода которого принятое телефонное сообщение передается получателю информации 15. Работой приемника в целом и его отдельными блоками (гетеродин 16, генератор ФМ 17, коррелятор 13, демодулятор 14) управляет синхронизатор 18, который сначала осуществляет поиск ФМ ШПС по времени и частоте, а затем поддерживает синхронизм.

Недостатком устройства-прототипа является недостаточная пропускная способность информации.

Для увеличения пропускной способности информации в устройство, содержащее на передающей стороне - последовательно соединенные источник информации, широтно-импульсный модулятор, фазовый модулятор и балансный модулятор, синхронизатор, один из выходов которого соединен со вторым входом широтно-импульсного модулятора, а второй выход синхронизатора через генератор ФМ присоединен ко второму входу фазового модулятора, выход генератора несущей частоты соединен со вторым входом балансного модулятора, и усилитель мощности, выход которого соединен с передающей антенной; на приемной стороне последовательно соединенные смеситель, УПЧ, коррелятор, демодулятор и получатель информации, синхронизатор, один из выходов которого через гетеродин соединен со вторым входом смесителя, второй выход синхронизатор через генератор ФМ соединен со вторым входом коррелятора, третий вход которого соединен с третьим выходом синхронизатора и вторым входом демодулятора, выход коррелятора, кроме того, соединен со входом синхронизатора, введены на передающей стороне - пять смесителей, сигнальные входы которых соединены между собой и с выходом балансного модулятора, а гетеродинные входы этих смесителей соединены соответственно с пятью выходами кодера, входы которых присоединены к выходу второго источника информации, выходы пяти смесителей через соответствующие полосовые фильтры соединены с сигнальными входами соответствующих пяти ключей, управляемые входы которых присоединены к пяти выходам коммутатора соответственно, вход которого соединен с шестым выходом кодера, а выходы ключей соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого соединен со входом усилителя мощности; на приемной стороне - вход полосового фильтра соединен с выхода коррелятора, а выход - через рециркулятор соединен со входом частотно-временной матрицы, пять выходов которой соединены соответственно с пятью входами декодера, выход которого присоединен ко входу второго получателя информации, опорный генератор, выход которого соединен с одним из входов рециркулятора, два синхронизирующих входа которого соединены соответственно с двумя выходами синхронизатора.

На фиг. 4 приведена функциональная схема предлагаемого устройства, где введены обозначения.

С 1-го по 18-ое обозначения те же, что и в устройстве-прототипе.

На передающей стороне:
19₁ - 19₅ - смесители;
20₁ - 20₅ - полосовые фильтры;
21₁ - 21₅ - ключи электронные;
22 - сумматор;
23 - кодер;
24 - коммутатор;
25 - второй источник информации;
На приемной стороне:
26 - полосовой фильтр;
27 - рециркулятор;
28 - частотно-временная матрица;
29 - опорный генератор;
30 - декодер;
31 - второй получатель информации.

Предлагаемое устройство имеет следующие функциональные связи.

Передающее устройство: последовательно соединенные первый источник информации 1, широтно-импульсный модулятор 2, фазовый манипулятор 3 и балансный модулятор 4, выход которого соединен со входами пяти смесителей 19₁ - 19₅, вторые входы которых соединены соответственно с пятью выходами кодера 23, вход которого присоединен к выходу второго источника информации 25, выходы пяти смесителей 19₁ - 19₅ через соответствующие полосовые фильтры 20₁ - 20₅ соединены с сигнальными входами соответствующих ключей 21₁ - 21₅, управляемые входы которых присоединены к пяти выходам коммутатора 24 соответственно, а выход коммутатора 24 соединен с шестым выходом кодера, выходы ключей 21₁ - 21₅ соединены с соответствующими входами сумматора 22, выход которого через усилитель мощности 5 соединен с передающей антенной 9. Второй вход балансного модулятора 4 соединен с выходом генератора несущей частоты 7, а второй вход широтно-импульсного модулятора 2 присоединен к выходу синхронизатора 8, второй вход которого через генератор ФМ 6 соединен со вторым входом фазового модулятора 3.

Приемное устройство: последовательно соединенные смеситель 11, УПЧ 12, коррелятор 13, демодулятор 14 и первый получатель информации 15, сигнальный вход смесителя 11 соединен с приемной антенной 10, выход коррелятора 13, кроме того, соединен со входом синхронизатора 18 и через полосовой фильтр 26 - с одним из входов рециркулятора 27, второй вход которого соединен с выходом опорного генератора 29, два синхронизирующих входа рециркулятора 27 соединены соответственно с двумя выходами синхронизатора 18, третий вход которого через гетеродин 16 соединен со вторым входом смесителя 11, четвертый вход синхронизатора 18 через генератор ФМ 17 присоединен ко второму входу коррелятора 13, третий вход которого соединен со вторым входом демодулятора 14 и пятым входом синхронизатора 18. Выход рециркулятора 27 присоединен ко входу частотно-временной матрицы 28, пять выходов которой соединены соответственно с пятью входами декодера 30, выход которого соединен со входом второго получателя информации 31.

Работает предлагаемое устройство следующим образом.

Телефонное сообщение (фиг. 2а) от первого источника информации 1 поступает на вход шарнирно-импульсного модулятора 2. С выхода ШИМ 2 сигнал (фиг. 2б) подается на вход фазового модулятора 3, на второй вход которого подается ФМ ШПС (фиг. 2в), формируемый генератором ФМ 6. Фазоманипулированный сигнал с выхода фазового модулятора 3 (фиг. 3г), содержащий информацию, поступает на вход балансного модулятора 4, в котором осуществляется балансная модуляция колебания с несущей частотой от генератора несущей частоты 7. С выхода балансного модулятора 4 сигнал поступает на вход смесителя 19₁ - 19₅.

От второго источника информации 25 на вход кодера 23 подается вторая информация в виде двоичного цифрового кода 25. В кодере 23 производится кодирование информации. Например, закодируемая информация может принять одну из следующих комбинаций 10000, 01000, 00100, 00010, 00001.

По этой закодированной информации синтезатор частот, имеющийся в составе кодера, вырабатывает, соответственно, пять частот f₁, f₂, f₃, f₄ и f₅, которые с пяти выходов кодера 23 могут поступать на вторые (гетеродинные) входы смесителей 19₁ - 19₅. Причем в интервале длительности сигнала от 0 до T с выхода синтезатора поступает только одна из пяти частот в зависимости от передаваемой информации. Начало и длительность периодов информационных сигналов, передаваемых от первого и второго источников информации, должны совпадать.

Сигнал с выходов смесителей 19₁ - 19₅ через соответствующие полосовые фильтры 20₁ - 20₅ подается на сигнальные входы соответствующих ключей 21₁ - 21₅. На вход коммутатора 24 с кодера 23 подается закодированная информация, например, 10000, 01000, 00100, 00010, 00001 в зависимости от передаваемой информации.

Коммутатор по пяти выходам соответствующим образом управляет ключами 21₁ - 21₅. Так, например, если на коммутатор поступила коммутация 10000, то откроется первый ключ 21₁, если - 01000, то откроется второй ключ 21₂ и т.д.

С выходов ключей 21₁ - 21₅ сигнал через сумматор 22 поступает на усилитель мощности 5, где усиливается до необходимой величины и через антенну 9 излучается в пространство.

В приемнике, принятый антенной 10 сигнал поступает в смеситель 11, где с помощью гетеродина 16 переносится на промежуточную частоту и после УПЧ 12, где усиливается до необходимой величины, поступает на коррелятор 13, который состоит из перемножителя и интегратора. На второй вход коррелятора 13 подается опорный сигнал с генератора ФМ 17 в виде ФМ ШПС (рис. 2в) и в этом корреляторе производится оптимальная обработка принятого сигнала. На выходе коррелятора 13, таким образом, напряжение содержит телефонное сообщение в виде ШИМ сигнала, который затем подается на вход демодулятора 14 и с выхода которого принятое телефонное сообщение передается первому получателю информации 15.

Сигнал с выхода коррелятора 13, кроме того, подается на полосовой фильтр 26. Полоса этого фильтра должна быть равна диапазону частот f₁ - f₅, исходя из частот передатчика, плюс нестабильность частот передатчика и приемника, то есть
Δf = Δf_под+δf_прд+δf_прм,
С выхода полосового фильтра 26 сигнал поступает на рециркулятор 27, где производится накопление сигнала. Частота сдвига для рециркулятора равна полосе широкополосного фильтра Δ f и равна частоте опорного генератора.

Время задержки линии задержки рециркулятора должно быть равно τ_лз= 1/Δf.
Цикл накопления сигнала в рециркуляторе равен T, то есть равен периоду сигнала передатчика.

В период времени от 0 до T присутствует только одна из частот f₁, f₂, f₃, f₄, f₅. В конце периода следования сигнала из блока синхронизации 18 поступает импульс считывания U_с (см. фиг. 3а) и сразу за ним импульс гашения U_г (см. фиг. 3б). Причем задний фронт U_с совпадает с передним фронтом U_г. Длительности U_с и U_г равны между собой и равны длительности линии задержки τ_лз рециркулятора.

После действия U_г происходит обнуление рециркулятора 27. Далее цикл накопления повторяется. Таким образом, рециркулятор это блок, в котором происходит накопление сигналов с частотами f₁, f₂, f₃, f₄ и f₅. В зависимости от передаваемой частоты из ансамбля через f₁ - f₅ положение свертки сигнала в U_с будет меняться. Так, если передавалась частота f₁, то это будет соответствовать интервалу 1 (см. фиг. 3г) - U_с1 - в импульсе считывания U_с (фиг. 3в), если передавалась f₂, то интервалу два U_с2 и т.д.

Частотно-временная матрица 28 преобразует временной интервал U_с1 - U_с5 в код (фиг. 3г, д, ... е).

А далее декодирующий блок 30 выдает вторую информацию второму получателю информации 31.

Таким образом, предлагаемое устройство за счет незначительного усложнения позволяет вдвое увеличить объем передаваемой информации.

Линия радиосвязи с фазоманипулированным ШПС (шумоподобным сигналом) относится к передаче дискретной информации и может быть использована в радиоканалах космических и наземных систем связи, использующих шумоподобные сигналы. Достигаемый технический результат - увеличение объема передаваемой информации вдвое. Линия радиосвязи с фазоманипулированным ШПС содержит два источника информации, широтно-импульсный модулятор, фазовый модулятор, балансный модулятор, усилитель мощности, два генератора ФМ, генератор несущей частоты, два синхронизатора, передающую и приемную антенны, шесть смесителей, усилитель промежуточной частоты (УПЧ), коррелятор, демодулятор, два получателя информации, гетеродин, шесть полосовых фильтров, пять электронных ключей, сумматор, кодер, коммутатор, рециркулятор, частотно-временную матрицу, опорный генератор, декодер. 4 ил.

Линия радиосвязи с фазоманипулированными ШПС, содержащая на передающей стороне последовательно соединенные первый источник информации, широтно-импульсный модулятор, фазовый модулятор и балансный модулятор, синхронизатор, один из выходов которого соединен со вторым входом широтно-импульсного модулятора, а второй выход синхронизатора через генератор ФМ присоединен ко второму входу фазового модулятора, генератор несущей частоты выходом соединен со вторым входом балансного модулятора и усилитель мощности, выход которого соединен с передающей антенной; на приемной стороне - последовательно соединенные смеситель, УПЧ, коррелятор, демодулятор и первый получатель информации, приемная антенна присоединена ко входу смесителя, синхронизатор, один из выходов которого через гетеродин соединен со вторым входом смесителя, второй выход синхронизатора через генератор ФМ соединен со вторым входом коррелятора, третий вход которого соединен с третьим выходом синхронизатора и вторым входом демодулятора, выход коррелятора, кроме того, соединен со входом синхронизатора, отличающаяся тем, что введены на передающей стороне пять смесителей, сигнальные входы которых соединены между собой и с выходом балансного модулятора, а гетеродинные входы этих смесителей соединены соответственно с пятью выходами кодера, вход которого присоединен к выходу второго источника информации, выходы пяти смесителей через соответствующие полосовые фильтры соединены с сигнальными входами соответствующих пяти ключей, управляемые входы которых присоединены к пяти выходам коммутатора соответственно, вход которого соединен с шестым выходом кодера, а выходы ключей соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого соединен со входом усилителя мощности; на приемной стороне - полосовой фильтр, вход которого соединен с выходом коррелятора, а выход через рециркулятор - со входом частотно-временной матрицы, пять выходов которой соединены соответственно с пятью входами декодера, выход которого присоединен ко входу второго получателя информации, опорный генератор, выход которого соединен с одним из входов рециркулятора, два синхронизирующих входа которого соединены соответственно с двумя выходами синхронизатора.