СИСТЕМА СВЯЗИ Советский патент 2006 года по МПК H04B7/00 

Изобретение относится к технике связи и может использоваться в системах передачи информации.

Известны устройства фазовой селекции, т.е. устройства разделения сигналов, отличающихся только начальной фазой по высокой частоте (Момот Е.Г. Проблемы и техника синхронного приема. Радио и связь. М., 1961, 172 стр.) "Фазовая селекция" осуществляется при синхронном детектировании.

Однако подобное устройство обладает рядом недостатков, вследствие которых затруднено его практическое применение. Этим устройством можно получить удовлетворительное разделение двух передач, но настройка гетеродина получается слишком нестабильной (т.е. быстро нарушается необходимое фазовое соотношение, вследствие ухода собственных частот синхронного гетеродина и самого передатчика). При этом качество разделения первой и второй передачи ухудшается, т.е. влияние расстройки по частоте сводится к слышимости второй ("мешающей") передачи или комбинационных между звуковыми частотами обеих передач. Вообще при работе с фазовой селекцией /выделении двух сообщений, одно из которых модулирует несущее колебание синфазно, а второе - в квадратуре/ требования к стабильности настройки так высоки, что представляется сомнительной возможность практической эксплуатации системы.

При использовании квадратурного канала значительно мешает передача синфазного канала. Для борьбы с ней вводится добавочное подавление синфазной модуляции за счет ограничителя до синхронного детектора.

Благодаря квадратурной модуляции фаза суммарного напряжения сигнала переменна. Синхронный гетеродин стремится следовать за этими колебаниями фазы, т.e. воспринимает некоторую фазовую модуляцию. В результате детектирование обеих передач происходит при переменном фазовом сдвиге синхронного гетеродина, что вредно в двух отношениях.

Во-первых (и при самой точной настройке), мы имеем периодические уклонения от правильной ориентировки гетеродина и, следовательно, неполное подавление мешающей передачи.

Во-вторых, за счет модуляции колебания синхронного гетеродина ухудшается качество демодуляции квадратурной передачи.

Известны устройства выделения информации кодированного сообщения с улучшенными характеристиками, такими как уменьшенная вероятность ошибки в символе за счет применения динамического порога, формируемого вычитанием квадратур бинарного сигнала после демодуляции и повышенная помехоустойчивость к флуктуационным помехам. (Патент №2300702, Франция, опубл. 11.05.78).

Однако подобное устройство обладает рядом недостатков, вследствие которых затруднено его практическое применение. Эти недостатки обусловлены, в основном, влиянием амплитудных флуктуаций сигнала и колебания когерентного гетеродина на отношение мощности сигнала к мощности помех на выходе устройства.

Известны устройства когерентной обработки сигнала с уменьшенной вероятностью замирания и повышенной помехоустойчивостью к флуктуационным помехам. (Г.Ван Трис Теория обнаружения, оценок и модуляции, т.1 пер. с англ. под ред. проф. В.К.Тихонова, М.: Сов. радио, стр.397, 1972, рис.4.67, 4.68).

Подобные устройства также имеют недостатки, обусловленные влиянием амплитудных флуктуаций сигнала и колебания когерентного гетеродина на отношение мощности сигнала к мощности помех на выходе устройства, особенно при малых индексах модуляции. В то же время, приведенный принцип действия не позволяет одновременно в одном частотном канале передавать более одного сообщения из-за сильных взаимных искажений сообщений на выходе устройств.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является устройство названное ортогональным фильтром. Устройство содержит синхронный детектор, фильтр нижних частот, переменный фазовращатель и источник колебаний с частотой, равной несущей частоте выделяемых сигналов с амплитудной модуляцией.

Однако данное устройство (патент ГДР №74148 кл. ГДР 21 а⁴, МКИ Н 03, 1970 г "Способ и устройство разделения амплитудно-модулированных: колебаний") имеет ряд недостатков, вследствие которых затруднено его практическое применение. Эти недостатки обусловлены, в основном, некачественной работой синхронного источника несущих колебании, наличием мультипликативных составляющих помех (в первую очередь амплитудных и базовых флуктуаций генераторов), которые в условиях больших отношений сигнал - шум ограничивают минимальный уровень полезной модуляции. В то же время приведенный принцип действия устройства не позволяет одновременно передавать и принимать более одного сообщения в одном частотном канале из-за сильных взаимных искажений сообщений, маскируемых мультипликативными помехами (естественными флуктуациями амплитуды и фазы источника несущего колебания).

Цель изобретения - скрытная передача и прием двух сообщений в канале связи под прикрытием мультипликативных помех (естественных флуктуаций амплитуды и фазы источника несущих колебаний).

Для достижения поставленной цели в устройство "ортогональный фильтр", содержащее синхронный детектор, переменный, фазовращатель, фильтр нижних частот, синхронный источник несущих колебаний, подключенный через переменный фазовращатель к одному входу синхронного детектора, на второй вход которого подается модулированное колебание и к выходу которого подключен фильтр нижних частот, выход которого является выходом устройства, дополнительно введены усилитель мощности, направленный ответвитель, первый и второй модуляторы линейной модуляции, второй переменный фазовращатель, второй синхронный детектор, второй фильтр нижних частот, два узкополосных фильтра нижних частот, два полосовых усилителя, квадратов и фильтр, два вычитающих устройства, четыре перемножителя, причем источник несущих колебаний через усилитель мощности подключен к первому входу направленного ответвителя, первый выход которого подключен через первый и второй переменные фазовращатели к первым входам первого и второго синхронных детекторов, на вторые входы которых подается модулированное колебание со второго выхода направленного ответвителя, параллельно первый выход направленного ответвителя подключен к входу квадратора, выход которого через фильтр параллельно подключен к первым входам четырех перемножителей, выход первого синхронного детектора через фильтр подключен к первому входу первого вычитающего устройства, выход первого вычитающего устройства через полосовой усилитель последовательно подключен к второму входу первого перемножителя, выход которого через узкополосный фильтр нижних частот подключен к второму входу второго перемножителя, выход которого подключен к второму входу первого вычитающего устройства, выход второго синхронного детектора подключен к первому входу второго вычитающего устройства, выход второго вычитающего устройства подключен через второй полосовой усилитель к второму входу третьего перемножителя, выход которого через узкополосный фильтр нижних частот подключен ко второму входу четвертого перемножителя, выход которого подключен ко второму входу второго вычитающего устройства, третий выход направленного ответвителя подключен через кабель (канал связи) к двум линейным модуляторам, включенным последовательно, причем выходами устройства являются выходы вычитающих устройств.

На чертеже изображена функциональная схема предложенного устройства.

Система связи с малоиндексной амплитудно-фазовой модуляцией (АФМ) содержит генератор несущих колебаний (ГНК) 1, фазовращатель (ФВ) 2, синхронный детектор (СД) 3, фильтр (Ф) 4, фазовращатель (ФВ) 5, синхронный детектор (СД) 6, фильтр (Ф) 7, усилитель мощности (УМ) 8, направленный ответвитель (НО) 9, линейные модуляторы (ЛМ) 10, 11, вычитающие устройства (ВУ) 12, 18, перемножители (П) 13, 15, 19, 21, узкополосные фильтры нижних частот (УФНЧ) 14, 20, квадратор (КВ) 16, фильтр (Ф) 17, полосовые усилители (УП) 22, 23.

Система связи работает следующим образом. Колебание генератора 1 после усиления усилителем с большим динамическим диапазоном 8 делится по мощности на две части направленным ответвителем 9. Часть мощности с третьего выхода НО по кабелю (или любой другой среде) поступает на первый и второй модуляторы, работающие на отражение. Промодулированные по амплитуде и по фазе с различными индексами колебания от первого и второго модуляторов по кабелю поступают на вход НО (третий выход НО) и делятся на две части по мощности. Половина мощности модулированного сигнала при этом теряется в согласованной нагрузке, выходном сопротивлении УМ 8. Вторая половина мощности модулированного сигнала поступает с первого выхода НО на первые входы синхронных детекторов.

Опорное колебание со второго выхода НО подается на квадратор на опорные входы синхронных детекторов через переменные фазовращатели. Изменение фазового сдвига фазовращателей позволяет настраивать устройство на выделение одного из сообщений и максимум компенсации другого сообщения. Квадратор выделяет составляющую флуктуаций амплитуды. После фильтрации фильтром 16 синфазная составляющая помеховой модуляции опорного колебания поступает на четыре перемножителя 13, 15, 19, 21 для автокомпенсации флуктуаций амплитуды в выходном сигнале демодулятора. Блоки 12, 13, 14, 15, 23 и 18, 19, 20, 21, 22 представляют собой одноканальные автокомпенсаторы помех, работающие на низких частотах модуляции.

Будем полагать, что уровень амплитудных и фазовых флуктуаций немодулированного колебания определяется действием естественных шумов генератора 1 и является небольшим, т.е. среднеквадратические индексы паразитной амплитудной и фазовой модуляции намного меньше единицы.

Модулированный сигнал на первом выходе НО имеет вид:

где А₁ - средняя амплитуда, М_i, m_i - соответственно, индексы амплитудной и базовой модуляции сообщениями λi(t), i=1, 2,

ω₀ - несущая частота, α(t), ϕ(t) - соответственно, флуктуации амплитуды и фазового сдвига сигнала.

В линии связи (кабеле, соединяющем НО и модуляторы) вид сигнала будет точно такой же как в равенстве (1), только индексы модуляции сообщениями λ₁(t) и λ₂(t) будут меньше и средняя амплитуда несколько больше, если учитывать падающую и отраженную волну. Предполагается, что у противника нет возможности ввести нарушение в кабель связи, т.е. подключить свой НО, который разделяет падающую и отраженную волну.

Будем считать, что у противника имеется возможность съема данных либо индуктивным, либо контактным способом.

При малых индексах модуляции M_i, m_i равенство (1) может быть представлено в другом виде:

где - индекс линейной модуляции,

- угол линейной модуляции.

Здесь под линейной модуляцией понимается модуляция, которая характеризуется движением изображающей точки по прямой линии под некоторым углом к вектору несущего колебания (Момот Е.Г. Проблемы и техника синхронного приема. "Радио и связь", М.: 1961 с. 35). При малых индексах модуляции линейная модуляция эквивалентна модуляции по амплитуде и по фазе (АФМ).

На опорные входы синхронных детекторов 3,6 через фазовращатели 2,5 и на квадратор 16 поступают колебания вида:

где А₂ - средняя амплитуда опорного колебания,

ψ_i - фазовый сдвиг колебания на опорном входе, соответственно первого, (i=1), второго (i=2),синхронных детекторов 3,6 и квадратора (i=0).

Сигнал на выходе синхронного детектора, который в первом приближении можно считать перемножителем, после фильтрации высших гармоник можно представить в виде

где Ф(р) - передаточная функция фильтров 4, 7, 17,

К1 - коэффициент передачи синхронного детектора.

Фильтры 4, 7, 17 являются полосовыми, т.е. постоянную составляющую сигнала пропускать не будут.

Процесс на выходе квадратичного детектора в канале опорного колебания имеет вид:

где К₂ - коэффициент передачи квадратичного детектора.

Для выходного напряжения устройства по первому и второму выходу можно записать:

где B₁(t), B₂(t) - соответственно, коэффициенты передачи перемножителей 13 и 19.

Эти коэффициенты можно определить из соотношений:

где Кп - петлевой коэффициент усиления автокомпенсатора. Перепишем 8 и 9 после группировки:

Поскольку х₁(t), х₂(t) и х₃(t) являются либо стационарными и стационарно связанными процессами, либо процессами нестационарными с медленно меняющейся дисперсией, а фильтр с передаточной функцией

Ф₂(p) стационарным, то в установившемся режиме и процесс B_i(t) также можно считать стационарным:

При большой инерционности фильтров нижних частот 14, 20 можно считать, что эффективное значение слагаемого ΔB_i(t) значительно меньше B_oi и в первом приближении полагать весовые коэффициенты автокомпенсаторов постоянными. Тогда переходя от усреднения по времени к усреднению по ансамблю можно получить:

где <·> - означает нахождение математического ожидания.

Используя равенства (4) и (5) в предположении достаточно широкополосных фильтров 4, 7, 17, можно записать:

где - дисперсия флуктуаций амплитуды.

Подставляя (15), (16), (l7) в (13) и (14) получим:

Поставляя (18) и (19) в (6) и (7) запишем равенства для выходных сигналов устройства:

где q_α1, q_α2 - соответственно, коэффициенты подавления флуктуаций амплитуды первым и вторым автокомпенсатором. Если учесть в равенствах (18)-(23), что условием высокой точности работы систем автокомпенсации является большой петлевой коэффициент передачи т.е.

,

то для коэффициентов подавления амплитудных флуктуаций автокомпенсаторами можно записать:

Равенство (25) показывает во сколько раз уменьшится вклад флуктуации амплитуды в выходной сигнал при их компенсации адаптивным устройством по сравнению со случаем, когда компенсация отсутствует. Так как знаменатель в (25) значительно больше единицы, то коэффициент подавления амплитудных флуктуаций может быть значительным. Так в экспериментах с гармоническими сигналами удавалось получить предельный коэффициент подавления помех автокомпенсатора свыше 50 дБ.

Если наложить дополнительные ограничения на среднеквадратичные отклонения естественных флуктуаций амплитуды и фазы несущего колебания, чтобы они были больше или равны μ₁, μ₂ т.е. выполнялись неравенства:

то выделение сообщений λ₁(t) и λ₂(t) будет значительно затруднено другими методами, отличающимися от рассматриваемого.

Наличие усилителя мощности 8 не является обязательным. Необходимо, чтобы в системе обеспечивалось большое отношение сигнал-шум. Благодаря усилителю 8 это легко достигается. Если уровень аддитивных помех мал, то, настраивая фазовращатель 2 на подавление второго сообщения, а фазовращатель 5 на подавление первого сообщения, получим выделение сообщения λ₁(t) на первом выходе устройства и λ₂(t) на втором выходе устройства. Этому соответствуют углы настройки фазовращателей, равные:

Если (28) подставить в (21) то можно видеть, что сообщение λ₂(t) исчезает в сигнале на первом выходе устройства. Если равенство (29) подставить в (20), то исчезает сообщение λ₁(t) в выходном сигнале х₄(t), т.е. на втором выходе устройства. Разделение сообщений λ₁(t) и λ₂(t) возможно, если выполняется неравенство:

Тем самым достигается фазовая селекция сообщений с полностью перекрывающимися спектрами под прикрытием мультипликативных помех.

Введение направленного ответвителя позволяет использовать в системе связи с малоиндексной АФМ основной принцип радиолокации -работа по отраженному сигналу. Это позволило снять проблему создания синхронного гетеродина на приемной стороне. НО может быть изготовлен по рекомендациям, известным из литературы (Каганов В.И. Транзисторные радиопередатчики. 2-е изд. М.: 1976, "Энергия" с 235).

В системе связи с малоиндексной АФМ используются модуляторы, работающие на отражение. Примером модулятора может служить устройство "Фазовый модулятор, выполненный на линии передачи" (патент США №3373384 кл. США, МКИ Н 03 С, опубл. в 1968 г.). В зависимости от частоты несущей, величины комплексной нагрузки на конце линии модулятор может дать модуляцию АФМ с произвольным углом модуляции.

Переменные фазовращатели 2 и 5 служат для разделения первого и второго сообщения при модуляции ими несущего колебания по амплитуде и по фазе.

Пример переменного фазовращателя см. в книге: А.Д.Артым. Электрические корректирующие цепи и усилители. М.: Энергия. 1965 г. с 229-331.

Синхронные детекторы 3, 6 переносят спектр сигнала с частоты несущего колебания на нулевую частоту. Примеры исполнения синхронных детекторов можно найти в книге: Шахгильдян В.В., Ляховкин А.А. Системы автоподстройки частоты "Связь", М.: 1972, стр. 49-61.

Примерами конкретного исполнения фильтров 4,7,17,20 могут служить фильтры, характеристики и параметры которых опубликованы в книге: Г.Ханзел, Справочник по расчету фильтров. (Пер. с англ. под ред. А.Е.Знаменского, Сов.радио, М.: 1974).

В качестве перемножителей 13, 15, 19, 21 можно использовать известные серийные микросхемы типа 140 МА1Б (см. Аналоговые и цифровые интегральные схемы. /Под ред. С.В.Якубовского, Сов.радио, М.: 1979 стр.232-237).

Таким образом, введение в известное устройство дополнительно блоков 5-23 дает этому устройству новое свойство, которое заключается в возможности передачи и приема двух сообщений одновременно с помощью неортогональных методов модуляции в одном частотном канале под прикрытием мультипликативных помех, амплитудных и фазовых флуктуаций сигнала, что приводит к достижению поставленной цели.

Блоки 1-4 непосредственно входят в прототип, в исходное известное устройство.

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано в системах передачи информации. Техническим результатом является повышение точности и обеспечение скрытности связи. Технический результат достигается тем, что система связи, содержащая в приемной части первый синхронный детектор, первый фильтр нижних частот, первый фазовращатель, а в передающей части - источник несущей части, снабжена в передающей части усилителем мощности, направленным ответвителем, первым и вторым модуляторами, а в приемной части - вторым фазовращателем, вторым синхронным детектором, вторым фильтром нижних частот, квадратором, тремя фильтрами, двумя блоками вычитания, перемножителями и двумя полосовыми усилителями. 1 ил.

Система связи, содержащая в приемной части первый синхронный детектор, первый фильтр нижних частот, первый фазовращатель. Первый фазовращатель подключен к первому входу первого синхронного детектора, выход которого соединен с входом первого фильтра нижних частот, выход которого является выходом системы, а в передающей части источник несущей частоты, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности и обеспечения скрытности связи, введены в усилитель мощности, направленный ответвитель, первый и второй модуляторы, а в приемную часть - второй фазовращатель, второй синхронный детектор, второй фильтр нижних частот, квадратор и три фильтра, два блока вычитания, четыре перемножителя два полосовых усилителя, причем источники несущей частоты через усилитель мощности подключен к первому входу направленного ответвителя, первый выход которого подключен соответственно через первый и второй фазовращатели к первым входом первого и второго синхронных детекторов, вторые входы которого соединены с вторым выходом направленного ответвителя, входы первого и второго фазовращателей через квадратор соединены с входом первого фильтра, выход которого соединен с входами первого, второго, третьего и четвертого перемножителей, выход первого и второго синхронных детекторов соответственно через первый и второй фильтры нижних частот соединены с первыми входами первого и второго блока вычитания, вторые входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго перемножителей, вторые входы которых соединены через второй и третий фильтры с выходами третьего и четвертого перемножителей, вторые входы которых через соответствующие полосовые усилители соединены с выходами блоков вычитания, третий выход направленного ответвителя соединен к последовательно соединенным первому и второму модуляторам, выходами системы являются выходы блоков вычитания.