ЛИНИЯ РАДИОСВЯЗИ С ПОВТОРНЫМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЧАСТОТЫ Российский патент 2003 года по МПК H04B7/22 

Предлагаемое устройство относится к области радиосвязи и может быть использовано 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 (К. Г. Гусев, А. Д. Филатов, А.П. Сопалев "Поляризационная модуляция", М.: Сов. радио, 1974 г., стр.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, так как в противном случае возникает большой уровень взаимных помех между отдельными каналами радиолинии. Однако в большинстве практических случаев изменяются как параметры распространения сигналов, так и взаимное расположение антенн.

Известно также устройство по патенту США 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 обеспечивает 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 объекту является "Устройство радиосвязи с повторным использованием частоты" по а.с. 1141979, принятое за прототип.

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства-прототипа, где обозначено:
1 - генератор сигналов основных сообщений;
2 - разветвитель мощности;
3, 4 - первый и второй амплитудные модуляторы;
5 - парафаэный усилитель;
6, 7 - первый и второй облучатели передающей антенны;
8 - передающая антенна;
9, 10 - первый и второй облучатели приемной антенны;
11 - приемная антенна;
12 - сумматор;
13 - вычитающее устройство;
14 - синхронный детектор;
15 - амплитудный ограничитель;
16 - демодулятор основных сообщений;
17 - узкополосный низкочастотный фильтр;
18 - устройство поворота поляризации.

Устройство-прототип имеет следующие функциональные связи.

На передающей стороне выход генератора сигналов основных сообщений 1 соединен со входом разветвителя мощности 2, первый и второй выходы которого соединены с высокочастотными входами амплитудных модуляторов 3 и 4 соответственно, вторые входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами парафазного усилителя 5, вход которого присоединен к источнику дополнительной информации S_д, выходы первого 3 и второго 4 амплитудных модуляторов соединены соответственно с первым 6 и вторым 7 облучателями передающей антенны 8; на приемной стороне выход первого 9 и второго 10 облучателей приемной антенны 11 соединены соответственно со входами устройства 18 поворота поляризации, два выхода которого присоединены к двум входам сумматора 12 и вычитающего устройства 13. Выход сумматора 12 через ограничитель 15 соединен со входами демодулятора 16 основных сообщений и синхронного детектора 14, второй вход которого соединен с выходом вычитающего устройства 13, а выход синхронного детектора 14 через узкополосный низкочастотный фильтр 17 присоединен к управляющему входу устройства 18 поворота поляризации.

Работает устройство-прототип следующим образом.

Генератор 1 формирует сигнал основных сообщений, модулированный по фазе основным сообщением, который имеет вид
U_c(t) = U•cos[ωt+ϕ(t)], (1)
где U_c - постоянная амплитуда сигнала;
ϕ(t) - функция изменения фазы сигнала, соответствующая фазовой модуляции основными сообщениями S_o.

Этот сигнал поступает на разветвитель мощности 2, где осуществляется разделение его мощности пополам и каждая половина выдается соответственно по двум выходам на амплитудные модуляторы 3 и 4. В этих модуляторах амплитуда приходящих сигналов изменяется противофазно по закону передаваемых дополнительных сообщений S_д с помощью напряжений, снимаемых с парафазного усилителя 5. При этом сигналы на выходах амплитудных модуляторов 3 и 4 будут
U₃(t) = U₁[1+f(t)]•cos[ωt+ϕ(t)]; (2)
U₄(t) = U₁[1-f(t)]•cos[ωt+ϕ(t)], (3)
где 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, которая может быть реализована в виде зеркальной антенны с двумя облучателями 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 6, принимаются приемной антенной 11. Ее облучатели (возбудители) 9 и 10 имеют также ортогональную линейную или круговую поляризацию. Приемная антенна 11 с возбудителями 9 и 10 выполнена аналогично передающей.

На выходах облучателей 9 и 10 приемной антенны 11 получим сигнал


Эти сигналы поступают на входы сумматора 12 и вычитающего устройства 13. При этом на выходе сумматора 12 получим сигналы

а на выходе вычитающего устройства 13

Сигнал (6) с выхода сумматора 12 поступает на вход амплитудного ограничителя 15, на выходе которого при угле рассогласования |α|<45^o и достаточно низком уровне ограничения будет иметь вид
U_огр = V_огр•cos[ωt+ϕ(t)], (8)
где V_огр - эффективная амплитуда ограниченного сигнала.

Сигнал (8) подается на синхронный детектор 14 в качестве опорного сигнала и одновременно на демодулятор 16 основных сообщений.

На сигнальный вход детектора 14 поступает сигнал (7) с вычитающего устройства 13. На выходе синхронного детектора 14 в области низких частот получим сигнал
U_cд = U_-(t)U_огр(t) = KV₀[f(t)•cosα-sinα], (9)
где К - коэффициент передачи синхронного детектора.

Как видно из выражения (9), сигнал U_cд содержит постоянную составляющую, знак которой зависит от знака угла рассогласования α. В данном случае эта составляющая равна
U₌ = KV₀sinα,
которая выделяется с помощью низкочастотного узкополосного фильтра 17 и подается на устройство управления положением осей поляризации облучателей (возбудителей) 18, которое повернет облучатели так, что угол α станет равным нулю.

При рассогласовании в другую сторону (угол α - отрицательный) указанная составляющая будет положительной и облучатели будут повернуты в противоположную сторону.

Низкочастотный узкополосный фильтр 17 имеет полосу пропускания, значительно меньшую по сравнению с шириной полосы спектра функции f(t), так что он может пропускать только медленно меняющиеся сигналы, обусловленные изменениями взаимного положения антенн.

Устройство управления 18 положением осей поляризации облучателей приемной антенны с помощью напряжения, поступающего с фильтра 17, устраняет рассогласование между поляризацией приходящих сигналов и поляризацией облучателей приемной антенны. При этом система регулирования работает по принимаемому сигналу, несущему информацию о передаваемых сообщениях.

Основная информация S_o снимается с демодулятора 16 основных сообщений, а дополнительная S_д снимается с синхронного детектора 14.

Недостатком устройства-прототипа является низкая помехозащищенность по отношению к сосредоточенным по спектру помехам, так как при наличии на его входе достаточно мощных сосредоточенных по спектру помех (даже вне полосы), превышающих динамический диапазон, входные каскады переходят в нелинейный режим, образуя паразитную амплитудную модуляцию, тем самым забивая основной сигнал.

Для устранения указанного недостатка в устройство, содержащее на передающей стороне генератор основных сообщений, выход которого соединен с входом разветвителя мощности, первый и второй выходы которого соединены с первыми входами первого и второго амплитудных модуляторов соответственно, вторые входы которых соединены с соответствующими выходами парафазного усилителя, вход которого является входом дополнительной информации S_д, выходы первого и второго амплитудных модуляторов соединены соответственно с первым и вторым облучателями передающей антенны, на приемной стороне первый и второй возбудители приемной антенны соединены соответственно с первым и вторым входами блока поворота поляризации, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первыми и вторыми входами сумматора и вычитателя, а также последовательно соединенные синхронный детектор и узкополосный низкочастотный фильтр, выход которого соединен с управляющим входом блока поворота поляризации, выход синхронного детектора является выходом дополнительной информации S_д, на приемной стороне введены последовательно соединенные фильтр предварительной селекции, фильтр анализа, анализирующий блок и регулируемый усилитель, выход которого соединен со вторым входом синхронного детектора и является выходом основной информации S_o, а также последовательно соединенные усилитель высокой частоты (УВЧ) и фильтр основного сигнала, выход которого соединен со вторым входом регулируемого усилителя, причем выход фильтра предварительной селекции соединен с входом УВЧ, выход сумматора соединен с входом фильтра предварительной селекции, а выход вычитателя через линию задержки соединен с первым входом синхронного детектора.

На фиг. 2 приведена функциональная схема предлагаемого устройства, где обозначено:
1 - генератор сигналов основных сообщений;
2 - разветвитель мощности;
3, 4 - первый и второй амплитудные модуляторы;
5 - парафазный усилитель;
6, 7 - первый и второй облучатели передающей антенны;
8 - передающая антенна;
9, 10 - первый и второй возбудители приемной антенны;
11 - приемная антенна;
12 - сумматор;
13 - вычитатель;
14 - синхронный детектор;
15 - линия задержки;
16 - фильтр предварительной селекции;
17 - узкополосный низкочастотный фильтр;
18 - блок поворота поляризации;
19 - фильтр анализа;
20 - анализирующий блок;
21 - усилитель высокой частоты (УВЧ);
22 - фильтр основного сигнала;
23 - регулируемый усилитель.

Предлагаемое устройство содержит на передающей стороне генератор сигналов основных сообщений 1, выход которого соединен с входом разветвителя мощности 2, два выхода которого соединены с первыми входами первого 3 и второго 4 амплитудных модуляторов соответственно. Два выхода парафазного усилителя 5 соединены со вторыми входами первого 3 и второго 4 амплитудных модуляторов соответственно. Вход парафазного усилителя 5 является входом дополнительной информации S_д. Выходы первого 3 и второго 4 амплитудных модуляторов соединены соответственно с первым 6 и вторым 7 облучателями передающей антенны 8.

На приемной стороне первый 9 и второй 10 возбудители приемной антенны 11 соединены соответственно с первым и вторым входами блока поворота поляризации 18, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первыми и вторыми входами сумматора 12 и вычитателя 13, выход которого через линию задержки 15 соединен с первым входом синхронного детектора 14, выход которого является выходом дополнительной информации S_д и, кроме того, через узкополосный низкочастотный фильтр 17 соединен с управляющим входом блока поворота поляризации 18. Выход сумматора 12 через последовательно соединенные фильтр предварительной селекции 16, фильтр анализа 19 и анализирующего блока 20 соединен с первым входом регулируемого усилителя 23, выход которого является выходом основной информации S_o и, кроме того, соединен со вторым входом синхронного детектора 14. При этом выход фильтра предварительной селекции через последовательно соединенные УВЧ 21 и фильтр основного сигнала 22 соединен со вторым входом регулируемого усилителя 23.

Работа передающего устройства в предлагаемом устройстве ничем не отличается от работы передатчика в устройстве-прототипе.

Приемное устройство работает следующим образом.

Сигналы, которые излучает передающая антенна 8, принимаются приемной антенной 11. Ее облучатели (возбудители) 9 и 10 имеют также ортогональную линейную или круговую поляризацию. Приемная антенна 11 с возбудителями 9 и 10 выполнена аналогично передающей.

На выходах облучателей 9 и 10 приемной антенны 11 получаем сигнал


Эти сигналы поступают на входы сумматора 12 и вычитающего устройства 13. При этом на выходе сумматора 12 будет

Пусть на входе УВЧ 21 действует аддитивная смесь полезного сигнала U_c(t), теплового шума U_ш(t) и растроенной по частоте относительно сигнала интенсивной помехи U_п(t), попадающей в полосу пропускания фильтра предварительной селекции 16 и УВЧ 21.

Тогда на выходе УВЧ 21 можно написать

где V_p(t) и ϕ_п(t) - огибающая и фаза результирующего колебания.

Для удобства рассмотрения обозначим колебание, представляющее собой сумму полезного сигнала и теплового шума, в виде
e(t) = U_c(t)+U_ш(t) = E(t)•cos[ω₀t+ψ(t)], (2)
где E(t) и ψ(t) - огибающая и фаза этого колебания;
ω₀ - средняя частота полезного сигнала.

Учитываем тот факт, что перегрузка УВЧ наступает, когда амплитуда помехи существенно превосходит амплитуду сигнала и теплового шума.

Введем обозначение

При β ≪ 1, что имеет место при перегрузке УВЧ 21, огибающую и фазу результирующего колебания можно представить в виде


где Δϕ = (ω_п-ω₀)t+ϕ_п(t)-ψ(t).
С учетом (1-4) результирующее колебание на входе УВЧ 21 можно записать

Рассмотрим вариант, когда УВЧ может быть реализован на ЛБВ, амплитудная характеристика в этом случае будет иметь вид, приведенный на фиг.3.

Примем, что амплитуда помехи постоянна и равна U_п - плоский участок характеристики 2Е, а фаза сигнала при действии перегружающей помехи не изменяется. При этом амплитуда колебания на выходе УВЧ 21 будет постоянна.

Известно (см. Гоноровский И.С. "Радиотехнические цепи и сигналы", М.: Сов. радио, 1977 г.), что в области частоты первой гармоники выходное колебание с выхода УВЧ 21 может быть записано

где


где J_кп - функции Бесселя.

С учетом β ≪ 1 после преобразования получим


Или в развернутом виде можно записать

Предлагаемое устройство, функциональная схема которого приведена на фиг. 2, позволяет значительно уменьшить влияние паразитной амплитудной модуляции.

Частотные характеристики фильтра предварительной селекции 16 и фильтра анализа 19 приведены на фиг.4.

Фильтр анализа 19 настраивается на частоту режекции полезного сигнала с таким расчетом, чтобы на вход устройства анализа 20 полезный сигнал поступал в сильно ослабленном виде.

На выходе УВЧ 21 установлен фильтр 22 основного сигнала, настроенного на частоту полезного сигнала, полоса пропускания этого фильтра выбирается из условий неискаженности передачи полезного сигнала, получившего в УВЧ паразитную амплитудную модуляцию в соответствии с функцией времени

Анализирующее устройство 20 проводит оценку амплитуды помехи, поступающей на вход УВЧ, и формирует сигнал, предназначенный для регулировки усиления регулируемого усилителя 23 с целью устранения паразитной амплитудной модуляции полезного сигнала.

Сигнал на выходе фильтра 22 основного сигнала, как следует из выражения (1), имеет вид

где U_ш.з - зеркальная составляющая шума.

Коэффициент усиления регулируемого усилителя 23 в результате регулирования изменяется в соответствии с функцией

На его выходе получим

где K_po- среднее значение коэффициента усиления РУ.

Отношение сигнал/шум на выходе РУ (регулируемого усилителя) будет

где q_o - отношение сигнал/шум на входе УВЧ.

На выходе вычитателя 13 будет сигнал

который через линию задержки 15, необходимую для компенсации задержки сигнала в основном канале, подается на вход синхронного детектора 14, на второй вход которого подается, в качестве опорного, сигнал с выхода регулируемого усилителя 23. На выходе синхронного детектора 14 в области низких частот получим сигнал
U_cд = U_-(t)U_р(t) = KV₀[f(t)•cosα-sinα],
где K - коэффициент передачи синхронного детектора.

Из этого выражения видно, что сигнал U_cд содержит постоянную составляющую, знак которой зависит от знака угла рассогласования α. В данном случае эта составляющая равна
U₌ -KV₀sinα,
которая выделяется с помощью фильтра 17 и подается на устройство 18 управления положением осей поляризации возбудителей, которое повернет облучатели так, что угол α станет равным нулю. При рассогласовании в другую сторону (угол α - отрицательный), указанная составляющая будет положительной и облучатели будут повернуты в противоположную сторону.

Устройство управления 18 положением осей поляризации возбудителей приемной антенны с помощью напряжения, поступающего с фильтра 17, устраняет рассогласование между поляризацией приходящих сигналов и поляризацией возбудителей приемной антенны. При этом система регулирования работает по принимаемому сигналу, несущему информацию о передаваемых сообщениях.

Основная информация S_o снимается с регулируемого усилителя 23, а дополнительная S_д снимается с синхронного детектора 14.

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано в космических и наземных системах радиосвязи с повторным использованием частот. Техническим результатом является повышенная помехозащищенность по отношению к сосредоточенным по спектру помехам. Технический результат достигается тем, что на передающей стороне содержится генератор основных сообщений, соединенный с разветвителем мощности, двумя амплитудными модуляторами (AM), соединенными с парафазным усилителем, на вход которого поступает информация S_д, выходы AM соединены с облучателями передающей антенны, на приемной стороне содержатся два возбудителя приемной антенны, соединенные с блоком поворота поляризации, выходы которого соединены с сумматором и вычитателем, а также синхронный детектор (СД) и узкополосный низкочастотный фильтр, соединенный с входом блока поворота поляризации, с выхода СД снимается информация S_д, причем на приемной стороне дополнительно введены фильтр предварительной селекции (ФПС), фильтр анализа, анализирующий блок и регулируемый усилитель (РУ), выход которого соединен со вторым входом СД и является выходом основной информации S_o, а также усилитель высокой частоты (УВЧ) и фильтр основного сигнала, соединенный со вторым входом РУ, причем выход ФПС соединен с входом УВЧ, выход сумматора - с входом ФПС, а выход вычитателя через линию задержки - с первым входом СД. 4 ил.

Линия радиосвязи с повторным использованием частоты, содержащая на передающей стороне генератор основных сообщений, выход которого соединен с входом разветвителя мощности, первый и второй выходы которого соединены с первыми входами первого и второго амплитудных модуляторов соответственно, вторые входы которых соединены с соответствующими выходами парафазного усилителя, вход которого является входом дополнительной информации S_д, выходы первого и второго амплитудных модуляторов соединены соответственно с первым и вторым облучателями передающей антенны, на приемной стороне первый и второй возбудители приемной антенны соединены соответственно с первым и вторым входами блока поворота поляризации, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первыми и вторыми входами сумматора и вычитателя, а также последовательно соединенные синхронный детектор и узкополосный низкочастотный фильтр, выход которого соединен с управляющим входом блока поворота поляризации, выход синхронного детектора является выходом дополнительной информации S_д, отличающаяся тем, что введены на приемной стороне последовательно соединенные фильтр предварительной селекции, фильтр анализа, анализирующий блок и регулируемый усилитель, выход которого соединен со вторым входом синхронного детектора и является выходом основной информации S_o, а также последовательно соединенные усилитель высокой частоты (УВЧ) и фильтр основного сигнала, выход которого соединен со вторым входом регулируемого усилителя, причем выход фильтра предварительной селекции соединен с входом УВЧ, выход сумматора - с входом фильтра предварительной селекции, а выход вычитателя через линию задержки - с первым входом синхронного детектора.