ЛИНИЯ СВЯЗИ ДИСКРЕТНОЙ ИНФОРМАЦИИ С ШИРОКОПОЛОСНЫМИ СИГНАЛАМИ Российский патент 2001 года по МПК H04L27/32 H04B1/10 H04B1/68 H04B7/22 

Предлагаемое устройство относится к передачe дискретной информации широкополосными ФМ сигналами и может быть использовано в радиоканалах для осуществления передачи информации в сложной помеховой обстановке.

Известны системы связи с шумоподобными сигналами (например, Н.Т.Петрович, М.К.Размахнин "Системы связи с шумоподобными сигналами".- М.: Сов. радио, 1969, с. 96, рис. 40), в которой используется в качестве модулируемого параметра задержка τ.
Генератор шума дает напряжение r(t), спектр которого формируется фильтром. Сигналы r(t) и r(t-τ) складываются в сумматоре и передаются в эфир.

В приемном устройстве вычисляется функция корреляции.

Однако в данном устройстве невысока помехоустойчивость, так как для приема информации необходимо установить наличие частичного максимума корреляционной функции, амплитуда которого в два раза меньше амплитуды основного максимума.

Известна также цифровая система связи фазоманипулированным ШПС (Л.Е.Варакин "Системы связи с шумоподобными сигналами".- М.: Pадио и связь, 1985, с. 16, рис. 1.7), предназначенная для передачи дискретных сообщений. В передатчике информация поступает на вход фазового модулятора, на второй вход которого подается ФМ сигнал от генератора ФМ сигнала - ГФМ. Работой ГФМ управляет синхронизатор, который формирует необходимые сигналы управления и частоты. Последовательность ШПС в виде ФМ сигналов, переносящая информационные символы, поступает в модулятор, в котором осуществляется балансная модуляция колебания с несущей частотой ФМ сигналов. Усилитель мощности усиливает эти колебания и через антенну излучает в эфир.

В приемнике сигнал переносится на промежуточную частоту, усиливается и обрабатывается согласованным фильтром. С выхода согласованного фильтра сигнал подается на синхронизатор и решающее устройство. Синхронизатор осуществляет поиск ФМ сигнала по частоте и времени, управляет режимом работы решающего устройства.

Для поиска сигнала по частоте синхронизатор перестраивает гетеродин. Так как в данное устройство входит согласованный фильтр, то в этом устройстве практически возможен только некогерентный прием ортогональных сигналов, что приводит к недостаточной помехоустойчивости приема информации, поскольку более высокая помехоустойчивость обеспечивается при когерентном приеме и использовании противоположных сигналов. Кроме того, практическая реализация согласованного фильтра при больших базах сигнала представляет собой сложную техническую задачу.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому объекту является "Система связи с фазоманипулированным ШПС" (Л.Е.Варакин "Системы связи с шумоподобными сигналами".- М.: Pадио и связь, 1985, с. 18, рис. 1.9), взятая 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 ШПС;
7 - генератор несущих частот;
8 - синхронизатор;
9 - передающая антенна;
10 - приемная антенна;
11 - смеситель;
12 - усилитель промежуточной частоты - УПЧ;
13 - блок корреляторов;
14 - демодулятор;
15 - получатель информации;
16 - гетеродин;
17 - генератор ФМ опорного сигнала;
18 - синхронизатор.

Устройство-прототип имеет следующие функциональные связи. Последовательно соединенные источник информации 1, широтно-импульсный модулятор 2, фазовый модулятор 3, балансный модулятор 4,, усилитель мощности 5, выход которого соединен с передающей антенной 9. Последовательно соединенные синхронизатор 8 и генератор ФМ ШПС 6, выход которого соединен с другим входом фазового модулятора 3. Другой выход синхронизатора 8 соединен с другим входом широтно-импульсного модулятора 2. Выход генератора несущих частот соединен с другим входом балансного модулятора 4.

На приемной стороне содержит последовательно соединенные смеситель 11, усилитель промежуточной частоты (УПЧ) 12, блок корреляторов 13, демодулятор 14 и получатель информации 15. При этом один из выходов синхронизатора 18 через гетеродин 16 соединен с входом смесителя 11, другой вход которого соединен с приемной антенной. Другой выход синхронизатора 18 через генератор ФM опорного сигнала 17 соединен с одним из входов блока корреляторов 13, другой вход которого одновременно соединен с одним из входов демодулятора 14 и соответствующим выходом синхронизатора 18, вход которого соединен с выходом блока корреляторов 13.

Устройство-прототип работает следующим образом.

В передатчике телефонное сообщение (фиг. 2а) от источника информации 1 поступает на вход широтно-импульсного модулятора 2, с выхода которого 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. 2г), 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 в усилителе мощности 5 ФМ сигнал через антенну 9 излучается в пространство.

Работой широтно-импульсного модулятора 2 и генератором ФМ сигнала 6 управляет синхронизатор 8, который вырабатывает необходимые частоты и управляющие сигналы.

В приемнике принятый на антенну 10 сигнал поступает в смеситель 11, где с помощью гетеродина 16 переносится на промежуточную частоту и после усиления в усилителе промежуточной частоты 12 поступает на блок корреляторов 13. На второй вход блока корреляторов генератора 17 подается опорный сигнал в виде ФМ ШПС (см. фиг. 2в). Блок корреляторов 13 состоит из перемножителя и интегратора. Блок корреляторов производит оптимальную обработку принятого сигнала. Напряжение на выходе коррелятора содержит телефонное сообщение в виде ШИМ сигнала, который подается на вход демодулятора 14, с выхода которого принятое телефонное сообщение передается получателю информации 15.

Работой приемника в целом и его отдельными блоками (гетеродин 16, генератор ФМ 17, блок корреляторов 13, демодулятор 14) управляет синхронизатор 18, который сначала осуществляет поиск ФМ ШПС по времени и частоте, а затем поддерживает синхронизм.

Но данному устройству-прототипу присущ тот недостаток, что сигнал ФМ ШПС в своем частотном спектре имеет боковые лепестки, достигающие по величине 20% и более от основного лепестка. Наличие боковых лепестков в частотном спектре передаваемого сигнала при поиске по частоте позволяет часто синхронизироваться приемному устройству за боковые лепестки, что приводит к значительному ухудшению помехоустойчивости принимаемой информации.

Для устранения указанного недостатка в устройство, содержащее на передающей стороне источник информации, выход которого соединен с входом широтно-импульсного модулятора, второй вход которого соединен с одним из выходов синхронизатора, выход широтно-импульсного модулятора соединен с одним из входов фазового модулятора, а второй выход синхронизатора присоединен к входу генератора ФМ ШПС. Выход генератора несущих частот соединен с одним из входов балансного модулятора, второй вход которого присоединен к выходу фазового модулятора, а выход балансного модулятора через усилитель мощности соединен с передающей антенной, на приемной стороне - приемная антенна присоединена к входу смесителя, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, а выход смесителя через усилитель промежуточной частоты соединен с одним из входов блока корреляторов, выход которого соединен с входом синхронизатора и одним из входов демодулятора, выход которого присоединен к входу получателя информации, генератор ФМ опорного сигнала, вход которого соединен с одним из выходов синхронизатора, второй выход которого соединен с входом гетеродина, а третий выход этого синхронизатора соединен со вторыми входами блока корреляторов и демодулятора, введены на передающей стороне прямой преобразователь Фурье, вход которого соединен с выходом генератора ФМ ШПС, а выход соединен с входом квадратора, выход которого присоединен к входу обратного преобразователя Фурье, выход которого соединен со вторым входом фазового модулятора; на приемной стороне - прямой преобразователь Фурье, вход которого соединен с выходом генератора ФМ опорного сигнала, а выход через квадратор с входом обратного преобразователя Фурье, выход которого соединен с третьим входом блока корреляторов.

На фиг. 3 приведена функциональная схема предлагаемого устройства, где введены обозначения:
1 - источник информации;
2 - широтно-импульсный модулятор (ШИМ);
3 - фазовый модулятор;
4 - генератор ФМ ШПС;
5 - синхронизатор передатчика;
6 - балансный модулятор;
7 - генератор несущих частот;
8 - усилитель мощности;
9 - передающая антенна;
10 - приемная антенна;
11 - смеситель;
12 - гетеродин;
13 - усилитель промежуточной частоты (УПЧ);
14 - генератор ФМ опорного сигнала;
15 - блок корреляторов;
16 - синхронизатор приемника;
17 - демодулятор;
18 - получатель информации;
19, 24 - прямые преобразователи Фурье;
20, 23 - квадраторы;
21, 22 - обратные преобразователи Фурье.

Предлагаемое устройство имеет следующие функциональные связи.

На передающей стороне содержит последовательно соединенные источник информации 1, широтно-импульсный модулятор 2, фазовый модулятор 3, балансный модулятор 6, усилитель мощности 8, выход которого соединен с передающей антенной 9. Последовательно соединенные синхронизатор 5, генератор ФМ ШПС 4, прямой преобразователь Фурье 19, квадратор 20, обратный преобразователь Фурье 21, выход которого соединен с другим входом фазового модулятора 3. Другой выход синхронизатора 5 соединен с другим входом широтно-импульсного модулятора 2. Выход генератора несущих частот 7 соединен с другим входом балансного модулятора 6.

На приемной стороне содержит последовательно соединенные смеситель 11, усилитель промежуточной частоты (УПЧ) 13, блок корреляторов 15, демодулятор 17 и получатель информации 18. Один из выходов синхронизатора 16 через гетеродин 12 соединен с входом смесителя 11, другой вход которого соединен с приемной антенной 10. Другой выход синхронизатора 16 через последовательно соединенные генератор ФМ 14, прямой преобразователь Фурье 24, квадратор 23 и обратный преобразователь Фурье 22 соединен с соответствующим входом блока корреляторов 15, другой вход которого одновременно соединен с другим входом демодулятора 17 и соответствующим выходом синхронизатора 16, вход которого соединен с выходом блока корреляции 15.

Работает предлагаемое устройство следующим образом.

В передатчике телефонное сообщение (см. фиг. 2а) от источника информации 1 поступает на вход широтно-импульсного модулятора 2, с выхода которого ШИМ сигнал (см. фиг. 2б) подается на вход фазового модулятора 3. С генератора ФМ ШПС 4 поступает на вход прямого преобразователя Фурье 19, на выходе которого получаем частотный спектр сигнала, развернутый во времени (см. фиг. 4а). С выхода прямого преобразователя Фурье 19 сигнал, представляющий частотный спектр видеосигнала, развернутый во времени, подается на квадратор 20, где производится возведение спектра сигнала в квадрат.

В обратном преобразователе Фурье 21, в который сигнал поступает с квадратора 20, производится обратное преобразование Фурье, и на его выходе получается сигнал в виде функции времени с возведением в квадрат спектром исходного сигнала.

На второй вход фазового модулятора 3 подается сигнал с выхода обратного преобразователя Фурье 21. Фазоманипулированный сигнал с возведенным в квадрат спектром, содержащий информацию, с выхода фазового модулятора 3 поступает на вход балансного модулятора 6, в котором осуществляется балансная модуляция с несущей частотой от генератора несущих частот 7. Затем усиленный по мощности в усилителе мощности 8, сигнал через антенну 9 излучается в пространство.

Работой широтно-импульсного модулятора 2 и генератором ФМ сигнала 4 управляет синхронизатор 5, который вырабатывает необходимые частоты и управляющие сигналы.

В приемнике принятый на антенну 10 сигнал поступает в смеситель 11, где с помощью гетеродина 12 переносится на промежуточную частоту и после усиления в усилителе промежуточной частоты 13 поступает на блок корреляторов 15.

Генератор ФМ опорного сигнала 14 вырабатывает ФМ ШПС, который подается на вход прямого преобразователя Фурье 24, на выходе которого получаем частотный спектр этого сигнала, развернутый во времени. С выхода прямого преобразователя Фурье 24 сигнал в виде частотного спектра подается на квадратор 23, где производится возведение в квадрат частотного спектра исходного сигнала. В обратном преобразователе Фурье 22, в который сигнал поступает с квадратора 23, производится обратное преобразование Фурье, в результате чего на выходе получается сигнал в виде функции времени с возведенным в квадрат спектра исходного сигнала. С выхода обратного преобразователя Фурье 22 сигнал подается на второй вход блока корреляторов 15.

Блок корреляторов 15 состоит из перемножителя и интегратора и в нем производится оптимальная обработка принятого сигнала. Напряжение на выходе блока корреляторов 15 содержит телефонное сообщение в виде ШИМ сигнала, которое подается на вход демодулятора 17. С выхода демодулятора 17 принятое телефонное сообщение передается получателю информации 18.

Работой приемного устройства в целом и его отдельными блоками (гетеродин 12, генератор ФМ опорного сигнала 14, блок корреляторов 15, демодулятор 17) управляет синхронизатор 16, который сначала осуществляет поиск ФМ ШПС по частоте и времени, а затем поддерживает синхронизм.

На фиг. 4а приведены частотные спектры ФМ ШПС, развернутые во времени:
1 - частотный спектр исходного сигнала;
2 - частотный спектр исходного сигнала, возведенного в квадрат.

На фиг. 4б приведены значения гармоник частотного спектра исходного сигнала и спектра, возведенного в квадрат.

Из графика 4а и таблицы 4б видно, что при возведении в квадрат частотного спектра ФМ ШПС его боковые лепестки резко уменьшаются и это в свою очередь позволяет в значительной степени снизить вероятность ложных захватов в приемном устройстве при поиске по частоте.

Реализация преобразователей Фурье 19, 21, 22, 24 может быть осуществлена на процессорах Фурье РД Р16515. Реализация остальных блоков и узлов не вызывает никаких затруднений, так как они общеизвестны и широко освещены в технической литературе.

Линия связи дискретной информации с широкополосными сигналами относится к передаче дискретной информации широкополосными фазоманипулированными сигналами и может быть использована в радиоканалах для осуществления передачи информации в сложной помеховой обстановке. Достигаемый технический результат - повышение помехоустойчивости линии связи за счет снижения вероятности синхронизации за боковой лепесток. Указанная линия содержит на передающей стороне источник информации, широтно-импульсный модулятор, фазовый модулятор, балансный модулятор, усилитель мощности, синхронизатор передатчика, генератор несущей частоты, генератор фазоманипулированного шумоподобного сигнала, передающую антенну, на приемной стороне - приемную антенну, смеситель, гетеродин, усилитель промежуточной частоты, генератор фазоманипулированного опорного сигнала, блок корреляторов, синхронизатор приемника, демодулятор, получатель информации, приемная и передающая стороны также содержат по квадратору и по прямому и обратному преобразователю Фурье. 4 ил.

Линия связи дискретной информации с широкополосными сигналами, содержащая на передающей стороне последовательно соединенные источник информации, широтно-импульсный модулятор, фазовый модулятор, балансный модулятор и усилитель мощности, выход которого присоединен к передающей антенне, синхронизатор передатчика, один выход которого соединен со вторым входом широтно-импульсного модулятора, а второй выход синхронизатора передатчика соединен со входом генератора фазоманипулированного шумоподобного сигнала, и генератор несущей частоты, выход которого соединен со вторым входом балансного модулятора; на приемной стороне - последовательно соединенные смеситель, усилитель промежуточной частоты, блок корреляторов, демодулятор и получатель информации, один из выходов синхронизатора приемника через гетеродин соединен со входом смесителя, другой вход которого соединен с приемной антенной, другой выход синхронизатора приемника соединен со входом генератора фазоманипулированного опорного сигнала, вход синхронизатора приемника соединен с выходом блока корреляторов, второй вход которого одновременно соединен со вторым входом демодулятора и третьим выходом синхронизатора приемника, отличающаяся тем, что введены на передающей стороне последовательно соединенные прямой преобразователь Фурье, вход которого соединен с выходом генератора фазоманипулированного шумоподобного сигнала, квадратор и обратный преобразователь Фурье, выход обратного преобразователя Фурье соединен с другим входом фазового модулятора; на приемной стороне - последовательно соединенные прямой преобразователь Фурье, квадратор и обратный преобразователь Фурье, выход которого подсоединен к третьему входу блока корреляторов, а вход прямого преобразователя Фурье соединен с выходом генератора фазоманипулированного опорного сигнала.