Ретранслятор радиосигналов
REPEATER OF RADIO SIGNALS

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к симплексной радиосвязи, в которой группы абонентов, разнесенных за пределы прямой видимости, осуществляют обмен дискретной информацией.
Известен активный ретранслятор, содержащий приемную антенну, усилитель высокой частоты, первый преобразователь частоты, линию задержки на  [1]. Величина  удовлетворяет условию =1/2f, где f > 2F, а F полоса информационного сигнала. Ретранслятор включает в себя также второй преобразователь частоты, усилитель мощности, передающую антенну, первый гетеродин, выход которого соединен с вторым входом первого преобразователя частоты, генератор управляющего сигнала с частотой f, электронный коммутатор, кварцевые резонаторы. Выход второго гетеродина соединен со вторым входом второго преобразователя частоты, а вход со вторым выходом электронного коммутатора, первый выход которого соединен с входом первого гетеродина. Первый и второй входы электронного коммутатора соединены с первым и вторым кварцевым резонаторами, а управляющий вход его - с выходом генератора управляющего сигнала.
К недостаткам аналога следует отнести:
организовано всего два канала ретрансляции;
во время передачи из-за мощного другого передаваемого сигнала усилитель высокой частоты может полностью блокироваться и прием сигналов прекратится;
линия задержки на промежуточной частоте, например, ультразвуковая линия задержки, представляет собой технологически сложное и дорогое устройство.
Известен активный ретранслятор, содержащий приемную антенну, усилитель высокой частоты, первый преобразователь частоты, линию задержки на  [2]. Величина  удовлетворяет условию =1/2f, где f > 2 F, а F полоса информационного сигнала. Ретранслятор включает в себя также второй преобразователь частоты, усилитель мощности, передающую антенну, первый гетеродин, выход которого соединен с вторым входом первого преобразователя частоты, генератор управляющего сигнала с частотой f, электронный коммутатор, кварцевые резонаторы. Выход второго гетеродина соединен с вторым входом второго преобразователя частоты, а вход с вторым выходом электронного коммутатора, первый выход которого соединен с входом первого гетеродина. Первый и второй входы электронного коммутатора соединены с первым и вторым кварцевым резонаторами, а управляющий вход его - с выходом генератора управляющего сигнала. За первую половину периода частоты f приемник принимает из антенны радиосигнал и последний после преобразования в промежуточную частоту заполняет линию задержки. За вторую половину периода частоты f (когда антенна переключена к выходу передатчика) сигнал из линии задержки поступает в усилитель промежуточной частоты передатчика, затем в преобразователь частоты (в котором гетеродин тот же, что и в преобразователе приемника) и преобразуется в колебания с частотой принятого приемником радиосигнала, усиливается усилителем мощности и излучается антенной. Во время второй половины периода колебаний с частотой f вход приемника отключен и он не принимает колебания, излучаемые передатчиком. Такой ретранслятор излучает прерывистые (усиленные) радиоимпульсы длительностью =1/2f, с перерывами такой же длительности. Однако в соответствии с теоремой Котельникова последовательность импульсов, модулированных сигналом, следующая с частотой f, в два раза большей максимальной частоты спектра передаваемого звукового сигнала, передаст всю информацию, заключенную в этом сигнале.
Наиболее близким по технической сущности и большинству совпадающих существенных признаков является взятый за прототип одночастотный ретранслятор радиосигнала содержит гетеродин, антенну, последовательно соединенные усилитель высокой частоты и первый усилитель промежуточной частоты, последовательно соединенные второй усилитель промежуточной частоты, второй преобразователь частоты и усилитель мощности [3]. Выходы гетеродина подключены к гетеродинным входам соответствующих первого и второго преобразователей частоты. Выход первого усилителя промежуточной частоты соединен со входом второго усилителя промежуточной частоты через линию задержки. Вход схемы запуска соединен с выходом линии задержки и первым входом второго усилителя промежуточной частоты, а выход ее - с входами первого и второго ждущих мультивибраторов. Инверсный выход первого мультивибратора соединен со светодиодом первого оптрона и с первым входом усилителя высокой частоты. Второй вход усилителя высокой частоты соединен с каналом первого оптрона, другой выход канала соединен с антенной и с каналом второго оптрона, другой выход которого соединен с выходом усилителя мощности. Светодиод второго оптрона соединен с выходом второго ждущего мультивибратора и с входом блока формирования колоколобразного напряжения, выход которого соединен со вторым входом второго усилителя промежуточной частоты. При появлении колебаний несущей частоты на входе ретранслятора запуск цикла переключений антенны от входа приемника к выходу передатчика и обратно осуществляет сам радиосигнал несущей частоты (его передний фронт), а длительность подключения приемника и передатчика установит управляющая схема из двух ждущих мультивибраторов и двух оптронов. После прекращения поступления колебаний несущей частоты на вход ретранслятора переключение антенны тоже прекратится.
К недостаткам прототипа следует отнести:
отсутствие у ретранслятора и радиостанций единой синхронизации во времени не позволит точно определить интервалы времени передачи и приема у абонентов, что приведет  к наложению радиосигналов друг на друга и, следовательно, к срыву связи;
оптроны построены на оптических парах, например, светодиод-фотодиод, каждый из элементов которых является нелинейным. Поэтому, проходя по этим цепям радиосигнал искажается, в нем появляются дополнительные гармоники, что ухудшит ЭМС, уменьшит отношение сигнал/шум и снизит надежность связи;
при взаимной симплексной радиосвязи в группе подвижных абонентов за счет наложения радиосигналов одновременно работающих на излучение радиостанций на одной и той же частоте, не удастся ни разделить радиосигналы,  ни правильно выделить интервалы времени передачи и приема сообщений;
принимаемые ретранслятором радиосигналы малы по мощности, следовательно, наводимая в антенне электродвижущая сила тоже имеет малый уровень. А оптроны, построены на парах, например, светодиод-фотодиод, имеют напряжение отсечки, при превышении которого они срабатывают. Поэтому через оптрон будут проходить только сигналы, превышающие напряжение отсечки, чем ограничивается дальность и (или) надежность связи;
при использовании в высокочастотных трактах нелинейных элементов – оптронов – трудно обеспечить согласование сопротивления антенны с выходным сопротивлением усилителя мощности и с входным  сопротивлением усилителя высокой частоты на заданной частоте, что приведет, к снижению коэффициента бегущей волны, и, следовательно, к снижению надежности (достоверности) связи;
линия задержки на промежуточной частоте, например, ультразвуковая линия задержки, представляет собой технологически сложное и дорогое устройство.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей  ретранслятора радиосигналов, а именно:
организация системы радиосвязи через ретранслятор, состоящей из 2n взаимосвязывающихся через радиоэфир радиостанций (абонентов), разнесенных между собой за пределы прямой (оптической) видимости;
повышение надежности связи за счет автоматического управления сихронизацией работы ретранслятора с помощью вычислителя и меток точного времени с выхода приемника  сигналов глобальных навигационных спутниковых систем;
адаптация ретранслятора при работе с приоритетными сообщениями или по времени прихода сообщения, посылки запроса повторного сообщения при превышении  срока хранения сообщения.
Поставленная цель достигается тем, что в ретранслятор радиосигналов, содержащий гетеродин, антенну, последовательно соединенные усилитель высокой частоты, первый преобразователь частоты и первый усилитель промежуточной частоты, а также последовательно соединенные второй усилитель промежуточной частоты, второй преобразователь частоты и усилитель мощности, выход первого гетеродина подключен к гетеродинному входу первого преобразователя частоты, разнесенные в пространстве две группы по n радиостанций соединены между собой через ретранслятор, введены подключенные также к выходу усилителя высокой частоты (2n-1) ветви, состоящие из последовательно соединенных первых преобразователей частоты и первых усилителей промежуточной частоты, причем гетеродинные входы всех (2n-1) преобразователей частоты подключены к соответствующим выходам всех (2n-1) гетеродинов, выходы всех 2п первых усилителей промежуточной частоты подключены к входам соответствующих аналого-цифровых преобразователей, вычислитель с внешним входом/выходом для записи/считывания, подключенный двухсторонними связями к n аналого-цифровым преобразователям, 2n первым гетеродинам, второму гетеродину, приемнику сигналов глобальных навигационных спутниковых систем с антенной, блоку памяти, генератору тактовых импульсов,  первая группа из 2n выходов которого подключена к входам 2n первых гетеродинов, вторая группа из 2n выходов – к входам дискретизации соответствующих 2n аналого-цифровых преобразователей, третий вход/выход – к входу/выходу дискретизации цифроаналогового преобразователя, управляющему входу/выходу антенного переключателя, информационному входу/выходу  цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с входом второго усилителя промежуточной частоты, выход приемника сигналов глобальных навигационных спутниковых систем с антенной подключен к синхровходу генератора тактовых импульсов, антенный переключатель, второй вход/выход которого соединен с антенной, выход – с входом усилителя высокой частоты, а вход – с выходом усилителя мощности.
Структурная схема ретранслятора радиосигналов приведена на фигуре 1.
Первая группа радиостанций 1, приемопередающая антенна 2, ретранслятор 3, усилитель высокой частоты 4, n первых преобразователей частоты 5, первый n первых  гетеродинов 6, n первых усилителей промежуточной частоты 7, n аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 8, вычислитель 9, приемник 10, второй гетеродин 11, блок 12 памяти, второй усилитель промежуточной частоты 13, второй преобразователей частоты 14, усилитель мощности 15, генератор 16 тактовых импульсов, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 17, антенный переключатель 18, внешний вход/выход вычислителя 19 для записи/считывания, вторая 20 группа радиостанций.
Ретранслятор 3 радиосигналов для первой 1 и второй 20 групп радиостанций или для двух групп радиостанций, каждая из n радиостанций, содержит приемопередающую антенну 2, усилитель высокой частоты 4, n первых 5 и второй 14 преобразователей частоты, первый n первых  гетеродинов 6, n первых 7 и второй 13 усилителей промежуточной частоты, n аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 8, вычислитель 9 с внешним входом/выходом 19 для записи/считывания, приемник 10 сигналов глобальных навигационных спутниковых систем с антенной, второй гетеродин 11, блок 12 памяти, усилитель мощности 15, генератор 16 тактовых импульсов, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 17, антенный переключатель 18.
Ретранслятор 3 радиосигналов работает следующим образом. Для повышения надежности связи необходимо принять все 2n радиосигналов, появляющиеся на входе ретранслятора от 2n радиостанций (абонентов) и передать их соответствующим вызываемым абонентам, удаленным за радиогоризонт, на требуемой  несущей частоте. Наиболее просто реализовать указанную выше процедуру, если на ретрансляторе разнести во времени передачу и прием радиосигналов [4], а именно, обеспечить в заданные моменты времени с помощью вычислителя 9 с внешним входом/выходом 19 для записи/считывания и антенного переключателя 18 переключение антенны то к усилителю 15 мощности, то к усилителю 4 высокой частоты. При блокировании с помощью вычислителя 9 с внешним входом/выходом 19 для записи/считывания, управляющего соответствующими первым гетеродином 6 и АЦП 8, прохождения передаваемого радиосигнала требуемой несущей частоты на вход вычислителя  9 не будет. Этим обеспечивается защита ретранслятора 3 от «пролезания» передаваемых радиосигналов через вычислитель 9 в блок 12 памяти. С помощью вычислителя 9 осуществляется контроль работоспособности всех связанных с ним узлов: 6, 8, 10,11, 12, 16, 17, 18 и при необходимости съем записанных в блок 12 памяти данных контроля в вычислительные средства объекта, на котором установлен ретранслятор 3 радиосигналов или при соответствующем запросе они будут транслированы на соответствующую радиостанцию 1 или 20. По входу/выходу 19 в вычислитель 9 вводятся, например, плановые данные: рабочие частоты по всем радиостанциям, их приоритеты, время интервалов передачи-приема, степень подвижности абонентов с радиостанциями 1, 20 и другие. Для устранения возникновения самовозбуждения ретранслятора 3 длительность интервалов передачи и приема выбирается больше длительности передаваемого (принимаемого) сообщения с учетом интервала времени для защиты от радиоволн, отраженных, например, от крупных близко расположенных металлических предметов. Для уменьшения времени доставки сообщения его длительность, включающую, например, адрес вызываемого абонента и приоритет сообщения, необходимо минимизировать и выбрать с помощью вычислителя 9 скорость передачи информации, максимальную для используемых полосы частот, диапазона и состояния среды распространения радиоволн.
Шкалу единого времени у радиостанций 1, 20 абонентов и в узлах ретранслятора 3 (вычислителе 9 и генераторе 16 тактовых импульсов), можно организовать, например, с помощью приемника 10 сигналов глобальных навигационных спутниковых систем с антенной, секундные метки которого синхронизируют генератор 16 тактовых импульсов и вычислитель 9 с внешним входом/выходом 19 для записи/считывания [5, 6]. Сигналы генератора 16 тактовых импульсов используются для формирования требуемой несущей частоты гетеродинов 6 и 11, импульсов дискретизации для АЦП 8 и ЦАП 17, синхронизации вычислителя 9. Интервал дискретизации выбирается таким, чтобы в длительности одного символа сообщения размещалось, например, более 8 импульсов. Число уровней квантования  выбирается так, чтобы величина младшего разряда была меньше среднего уровня шума узлов 2, 18, 4, 5, 7, например,16.
Для повышения надежности связи могут быть приняты дополнительные процедуры, например, сокращение избыточности передаваемой информации и введение защитных временных интервалов, перекрывающих время распространения радиосигналов от наиболее удаленного абонента с учетом их отражения от крупных металлических предметов на пути распространения, минимизация длительности временных интервалов, необходимых для передачи и приема сигналов в радиостанциях 1, 20 и ретрансляторе 3. Процедура организации обмена сообщениями между двумя радиостанциями 1 и 20, разнесенными за пределы прямой (оптической) видимости, разбита на следующие четыре временных, например, равных, интервала: первый – передача радиосигналов с радиостанции 1, прием их в ретрансляторе 3 радиосигналов, преобразование в цифровой вид и запись в блок 12 памяти, второй – съем соответствующих цифровых данных с блока 12 памяти, трансляция их через вычислитель 9 с выполнением процедуры повышения эффективности использования радиочастотного спектра – снижения уровня комбинационных составляющих спектра в ЦАП 17, где цифровые сигналы преобразуются в аналоговый вид – радиосигналы промежуточной частоты, которые затем фильтруются, пройдя узлы 17 и 13, преобразуются в узле 14 в радиосигналы требуемой несущей частоты и, после обработки в узлах 15, 18  излучаются с антенны 2 в пространство. Во время этого интервала на радиостанции 20 осуществляется прием и обработка сигналов с ретранслятора 3 радиосигналов. В течение следующего интервала с радиостанции 20 передается подтверждение о достоверном приеме сообщения или запрос о его повторении – при наличии ошибок. В этом интервале данные с радиостанции 20 принимаются в ретрансляторе 3 радиосигналов, аналогично указанному выше обрабатываются, и в следующем интервале передаются на радиостанцию 1, где принимаются, обрабатываются и на их основе вырабатывается решение о дальнейшей работе.
Ретранслятор всегда готов к приему следующих радиосигналов от 2n радиостанций, если у них процедуры передачи и приема радиосигналов синхронизированы во времени с ретранслятором 3 радиосигналов, например, с помощью приемника сигналов глобальных навигационных спутниковых систем с антенной. Чтобы во время передачи радиоимпульса ни прямые радиоволны с антенны 2, ни отраженные от соседних объектов не могли пройти через соответствующий первый преобразователь 5 и АЦП 8, в вычислителе 9 формируются команды запрета на формирование несущей частоты соответствующим первым гетеродином 6 и на прохождение сигналов через АЦП 8. Если на ретранслятор 3 переданы одновременно несколько радиосигналов с радиостанций, то они в зависимости от номинала несущей частоты с помощью процедур фильтрации распределяются по соответствующим первым преобразователям 5 частоты, усиливаются в узлах 7, преобразуются в цифровой вид в узлах 7, и с помощью вычислителя 9 записываются в блок 12 памяти. Указанную процедуру можно осуществить, например, по технологии SDR – «программируемое радио» [5, 6]. В следующий интервал времени записанная копия радиосигнала промежуточной частоты считывается из блока12 памяти в порядке, например, приоритета радиостанции (абонента) или по очередности (по времени) приема сообщений, через вычислитель 9 поступает на ЦАП 17, где формируются радиосигналы с требуемой формой спектра, например, характерной для радиоимпульсов колоколообразной формы [4, 5, 7]. Затем радиосигналы фильтруются, усиливаются узлом 13, преобразуются в узле 14 в радиосигналы требуемой несущей частоты, получаемой с помощью напряжения второго гетеродина 11, управляемого вычислителем 9, усиливаются в узле 15 и, пройдя антенный переключатель 18, управляемый вычислителем 9, излучаются с антенны 2 в пространство. Если время пребывания сигнала в очереди превысило заданное время старения информации, то он стирается и с помощью вычислителя посылается запрос на новое сообщение на соответствующую радиостанцию 1 или 20.
Сопоставление ретранслятора радиосигналов с прототипом и аналогами показывает, что он отличается наличием новых блоков, таких АЦП и ЦАП, вычислителя с внешним входом/выходом  для записи/считывания, приемника сигналов глобальных навигационных спутниковых систем с антенной, блока  памяти, генератора  тактовых импульсов, антенного переключателя и их взаимными связями. Таким образом, заявленный ретранслятор радиосигналов соответствует критерию изобретения "новизна".
Сравнение заявленного устройства не только с прототипом, но и с другими техническими решениями по направлению ретрансляции радиосигналов не позволило выявить в них признаки, которые отличают заявленный ретранслятор радиосигналов от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".
Предлагаемый ретранслятор радиосигналов по сравнению с прототипом имеет более широкие функциональные возможности в части организации обмена данными между абонентами, удаленными за пределы прямой (оптической) видимости через ретранслятор, состоящей из 2n взаимосвязывающихся через радиоэфир радиостанций (абонентов), повышения надежности связи за счет автоматического управления временной сихронизацией работы ретранслятора с помощью вычислителя и меток точного времени с выхода приемника  сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, адаптации ретранслятора при работе с приоритетными сообщениями, посылки запроса повторного сообщения при превышении  срока хранения сообщения.
Литература
1. Авторское свидетельство СССР N 1589410, М. кл. H 04B 7/15, 1988.
2. Патент РФ № 2042272. М. кл. H04B 7/15, 1995.
3. Патент РФ № 2110153. М. кл. H04B 7/15, 1998 (прототип).
4. Финк, Л.М. Теория передачи дискретных сообщений / Л.М. Финк. – М.: Советское радио, 1970. – 727 с.
5. Кейстович, А.В. Системы и техника радиосвязи в авиации: учеб. пособие / А.В. Кейстович, А.В. Комяков. – Нижний Новгород: НГТУ, 2012. - 236 с.
6. Кейстович, А.В. Виды радиодоступа в системах подвижной связи. Учебное пособие для вузов / А.В. Кейстович, В.Р. Милов. - М.: Горячая линия. – Телеком, 2015. - 278 с.
7.  Харкевич А.А. Спектры и анализ. - М.: ГИФМЛ, 1962, с. 236.
7. Гуревич М. С. Спектры радиосигналов. - М.: Радио и связь, 1963, с. 105.