РАДИОЛИНИЯ С ПОВЫШЕННОЙ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТЬЮ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ

Изобретение относится к области формирования и обработки сигналов и может быть использовано как при построении систем с множественным доступом, использующих сложные сигналы, так и систем радиолокации и радионавигации для обеспечения повышенной помехозащищенности передачи.
Сложные (шумоподобные) сигналы традиционно используют для повышения помехозащищенности (скрытности и помехоустойчивости) передаваемых сигналов, а также в адресных системах связи для обеспечения одновременного доступа друг к другу множества абонентов, активно работающих в общем диапазоне рабочих частот.
Известны радиолинии, использующие сигналы с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ) [Варакин, Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами / Л.Е.Варакин. - М.: Радио и связь, 1985, стр.19, рис.1.11] или линии радиосвязи, в которых находят применение дискретные частотные сигналы (ДЧС) [Передающая часть: Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами / Г.И.Тузов, В.А.Сивов, В.И.Прытков, Ю.Ф.Урядников, Ю.А.Дергачев, А.А.Сулиманов. - М.: Радио и связь, 1985, стр.35 рис.2.6. Приемная часть: Варакин, Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами / Л.Е.Варакин. - М.: Радио и связь, 1985, стр.346, рис.21.1].
К недостаткам использования сигналов с ППРЧ можно отнести невозможность когерентного накопления частотных составляющих, такое накопление возможно только в пределах длительности частотной составляющей, то есть сигнал нельзя сжать. При этом такие сигналы распределены на больших частотно-временных плоскостях, что иногда становится недопустимым, например, в районах плотного сосредоточения радиоэлектронных средств и систем. ДЧ сигналы обладают хорошими корреляционными свойствами, но это достигается известным усложнением аппаратуры обработки на приемной стороне. Кроме того, они так же, как и сигналы с ППРЧ занимают очень широкие полосы рабочих частот, хотя спектральная плотность мощности у них может быть малой.
Наиболее близкой по технической сущности является радиолиния, использующая фазоманипулированные широкополосные сигналы (ФМ ШПС) [Варакин, Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами / Л.Е.Варакин. - М.: Радио и связь, 1985, стр.16, рис.1.7], принятая за прототип.
На фиг.1а и 1б изображена функциональная схема устройства-прототипа, где вместо согласованного фильтра используется коррелятор, что показано в [Варакин, Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами / Л.Е.Варакин. - М.: Радио и связь, 1985, стр.269, рис.15.3]. Это является несущественным, так как согласованный фильтр и коррелятор функционально эквивалентны. Здесь приведены следующие обозначения:
4 - усилитель мощности (УМ);
7, 14 - первый и второй генераторы фазоманипулированных сигналов (ГФМ);
8 - смеситель (СМ);
9 - гетеродин (Г);
10 - усилитель промежуточной частоты (УПЧ);
13 - коррелятор, состоящий из перемножителя и интегратора (КОР); 15.1, 15 - первый и второй синхронизаторы (С);
20 - решающее устройство (РУ);
21 - балансный модулятор (БМ);
22 - генератор несущей частоты (ГНЧ);
23 - фазовый модулятор (ФМ).
Устройство-прототип содержит передающую и приемную части.
Передающая часть содержит последовательно соединенные первый синхронизатор 15.1, первый генератор фазоманипулированного сигнала 7, фазовый модулятор 23, балансный модулятор 21 и усилитель мощности 4, выход которого является выходом передающей части. Кроме того, второй вход ФМ 23 является информационным входом передающей части, а второй вход БМ 21 подсоединен к выходу генератора несущей частоты 22.
Приемная часть содержит последовательно соединенные смеситель 8, УПЧ 10, КОР 13 и решающее устройство 20, выход которого является выходом приемной части. При этом выход КОР 13 через второй синхронизатор 15 соединен с входами гетеродина 9, второго ГФМ 14, вторым входом РУ 20 и третьим входом КОР 13, второй вход которого подсоединен к выходу ГФМ 14, выход гетеродина 9 соединен со вторым входом смесителя 8, первый вход которого является входом приемной части радиолинии.
Устройство-прототип работает следующим образом.
0
0
0
0
0
Передающая часть. От источника информации ИИ последовательность двоичных информационных символов 1 и 0 длительностью T со скоростью 1/T поступает на первый вход ФМ 23, на второй вход которого с выхода первого ГФМ 7 одновременно поступает фазоманипулированный сигнал длительностью T, представляющий собой последовательность видеоимпульсов 1 и 0 длительностью T=T/N, где N - число таких импульсов в ФМ сигнале. С выхода ФМ 23 на первый вход модулятора БМ 21 поступает фазоманипулированный видеосигнал, модулированный символом информационной последовательности. Одновременно с выхода ГНЧ 22 на второй вход БМ 21 поступает несущая частота, а с его выхода на вход УМ 4 приходят импульсы ФМ ШПС, где они усиливаются и поступают в канал связи. Первый синхронизатор 15.1 согласовывает работу ГФМ 7 с темпом поступления информационных символов.
Приемная часть. Излученный передающей частью ФМ ШПС, пройдя канал связи, попадает на первый вход смесителя 8, на второй вход которого поступает сигнал гетеродина 9, при этом принятый сигнал переносится на промежуточную частоту и поступает на вход усилителя промежуточной частоты 10, с выхода которого он поступает на первый вход коррелятора 13, на второй вход которого с выхода второго генератора фазоманипулированного сигнала 14 одновременно поступит фазоманипулированный видеосигнал. С выхода КОР 13 на вход второго синхронизатора 15 и на первый вход решающего устройства 20 поступит корреляционная функция пришедшего и опорного сигналов. Согласованной работой блоков гетеродина 9, второго ГФМ 14, КОР 13 и РУ 20 управляет второй синхронизатор 15, поэтому в момент отсчета с выхода КОР 13 на первый вход РУ 20 поступает максимальное значение корреляционной функции со своим знаком, а с его выхода получателю информации в зависимости от знака выходного эффекта поступит либо информационная единица, либо информационный нуль.
Основными недостатками в использовании ФМ ШПС являются:
- из полного кода какой-либо системы сигналов хорошими корреляционными свойствами обладает немного последовательностей;
- для увеличения базы ФМ ШПС (значит, помехоустойчивости передачи) необходимо либо увеличивать потребление частотного ресурса при неизменной длительности сигнала (увеличивается количество элементов ГФМ), либо увеличивать потребление временного ресурса при сохранении ширины полосы рабочих частот (увеличивается длительность сигнала с одновременным увеличением количества элементов ГФМ).
Задача - повышение помехозащищенности передачи сигналов.
Для решения поставленной задачи в радиолинию с повышенной помехозащищенностью, содержащую передающую и приемную части, в передающей части - первый генератор фазоманипулированных сигналов (ГФМ) и усилитель мощности, выход которого является выходом передающей части; в приемной части - последовательно соединенные смеситель и усилитель промежуточной частоты (УПЧ), а также соединенные входами гетеродин и второй ГФМ, выход которого соединен со вторым входом коррелятора, выход которого соединен с входом синхронизатора и первым входом решающего устройства, выход которого является выходом приемной части, а его второй вход соединен с третьим входом коррелятора, при этом первый вход смесителя является входом приемной части радиолинии, а второй его вход подсоединен к выходу гетеродина, согласно изобретению, введены: в передающую часть - последовательно соединенные генератор тактовых импульсов длительностью равной длительности фазоманипулированного сигнала (ГТИ), первый делитель частоты, блок формирования закона изменения мгновенной частоты, генератор, управляемый напряжением и первый блок перемножения, выход которого соединен с входом усилителя мощности, при этом выход ГТИ через последовательно соединенные источник информации и второй блок перемножения соединен со вторым входом первого блока перемножения, кроме того, выход первого делителя частоты соединен с входом первого ГФМ, выход которого подключен к соответствующему входу второго блока перемножения; в приемную часть - последовательно соединенные линию задержки на время, равное длительности элемента фазоманипулированного сигнала и блок детектирования, выход которого соединен с первым входом коррелятора, а также управляемый генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с входом второго делителя частоты и третьим входом коррелятора, причем выход синхронизатора соединен с входом УГТИ, выход второго делителя частоты соединен с входом гетеродина, выход УПЧ соединен с входом линии задержки.
Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2а и 2б, где введены.следующие обозначения.
1 - блок формирования закона изменения мгновенной частоты (БФЧ);
2 - генератор, управляемый напряжением (ГУН);
3, 18 - первый и второй блоки перемножения (БП);
4 - усилитель мощности (УМ);
5 - генератор тактовых импульсов (ГТИ); 6,17- первый и второй делители частоты (ДЧ);
7, 14 - первый и второй генераторы фазоманипулированных сигналов (ГФМ);
8 - смеситель (СМ);
9 - гетеродин (Г);
10 - усилитель промежуточной частоты (УПЧ);
11 - линия задержки на групповое время, равное длительности элемента фазоманипулированного сигнала (ЛЗ);
12 - блок детектирования (БД)
13 - коррелятор (КОР);
15 - синхронизатор (С);
16 - управляемый генератор тактовых импульсов (УГТИ);
19 - источник информации (ИИ);
20 - решающее устройство (РУ).
Предлагаемая радиолиния содержит передающую и приемную части.
Передающая часть содержит последовательно соединенные генератор тактовых импульсов ГТИ 5, первый делитель частоты 6, первый генератор фазоманипулированных сигналов 7; последовательно соединенные блок формирования закона изменения мгновенной частоты 1, генератор, управляемый напряжением 2, первый блок перемножения 3 и усилитель мощности 4, выход которого является выходом передающей части. При этом выход первого ГФМ 7 через второй блок перемножения 18 соединен со вторым входом первого БП 3. Выход ГТИ 5 через источник информации 19 подсоединен ко второму входу второго БП 18. Выход первого ДЧ 6 соединен с входами БФЧ 1.
Приемная часть содержит последовательно соединенные смеситель 8, УПЧ 10, линию задержки 11, блок детектирования 12, коррелятор 13 и решающее устройство 20, выход которого является выходом приемной части устройства. Кроме того, выход коррелятора 13 через последовательно соединенные синхронизатор 15, УГТИ 16, второй делители частоты 17 и гетеродин 9 соединен со вторым входом смесителя 8. При этом выход второго делителя частоты 17 через второй ГФМ 14 подсоединен ко второму входу коррелятора 13, третий вход которого подключен к выходу УГТИ 16 и второму входу РУ 20. Вход смесителя 8 является входом приемной части радиолинии.
Предлагаемая радиолиния работает следующим образом.
T
0
0
τ
0
0
0
0
0
max
0
0
max
0
0
0
0
В передающей части ГТИ 5 вырабатывает импульсы с тактовой частотой f=1/T (Т - длительность фазоманипулированного сигнала), поступающие на вход первого ДЧ 6, с выхода которого на соответствующие входы БФЧ 1 и первого ГФМ 7 поступают тактовые импульсы уже с частотой f=1/τ (то - длительность одного элемента фазоманипулированного сигнала), задающей на длительности То темп генерации фазоманипулированного сигнала блока ГФМ 7 и темп генерации управляющего напряжения, вырабатываемого блоком БФЧ 1. С выхода БФЧ 1 на вход ГУН 2 начнут поступать импульсы с линейным нарастанием за время то мгновенного значения напряжения от U-ξΔF/2 В до U+ξΔF/2 В (динейиая частотная модуляция ЛЧМ). Здесь ξ=U/ΔF В/Гц - коэффициент преобразования, характеризующий чувствительность ГУН 2 к воздействию управляющего напряжения; Uo - значение управляющего напряжения, при котором ГУН 2 вырабатывает значение несущей частоты, равное f; U - значение управляющего напряжения, при котором ГУН 2 вырабатывает максимальное значение несущей частоты, равное f+ΔF/2; ΔF/2 - девиация частоты импульса с ЛЧМ. С выхода ГУН 2 на первый вход первого БП 3 с заданным темпом будут поступать радиоимпульсы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) длительностью T и законом изменения частоты
.
Здесь δ - так называемое «циклическое» время;
t - текущее время;
j=1, 2, …, N - порядковый номер радиоимпульса с ЛЧМ.
T
0
0
0
τ
0
Тактовые импульсы с частотой f=1/T с выхода ГТИ 5 поступают на вход ДЧ 6 и одновременно на вход источника информации ИИ 19, с выхода которого биполярные информационные импульсы длительностью Т поступают на второй вход второго БП 18, на первый вход которого с выхода первого ГФМ 7 в течение промежутка времени, равного T с частотой f=1/T будут поступать элементы фазоманипулированного сигнала. Значит, с выхода второго БП 18 на второй вход первого БП 3 будут поступать фазоманипулированные сигналы, модулированные информационными импульсами, а с выхода первого БП 3 через УМ 4 в канал передачи будут поступать цифровые фазоманипулированные сигналы, каждый элемент которых представляет собой ЛЧМ-радиоимпульс.
Г
0
0ЛЗ
ОЛЗ
Г
0
ОЛЗ
В приемной части на первый вход смесителя 8 из канала передачи поступают последовательно N элементов сигнала ФМ ЛЧМ. Одновременно с выхода второго ДЧ 17 на вход гетеродина 9 будут поступать тактовые импульсы, задавая темп генерации гетеродином 9 импульсов длительностью то с опорной частотой f=f-f, где f - рабочая частота дисперсионной линии задержки ЛЗ 11. Последовательность из N импульсов с опорной частотой f поступает на второй вход смесителя 8, с выхода которого через усилитель УПЧ 10 на вход линии задержки 11 поступают радиоимпульсы с ЛЧМ длительностью т и несущей частотой f. Закон изменения мгновенной частоты этих радиоимпульсов имеет вид
.
ОЛЗ
При этом, учитывая, что время группового запаздывания в ЛЗ 11 изменяется по линейному закону, с ее выхода на вход БД 12 поступает последовательность из N автокорреляционных функций (АКФ) элементов сигнала ФМ ЛЧМ с частотой заполнения f. Далее эти АКФ проходят через блок БД 12, где подвергаются детектированию и поступают на первый вход коррелятора 13, на второй вход которого с выхода второго ГФМ 14 одновременно с заданным темпом поступают элементы фазоманипулированного сигнала. Следовательно, в конце такта длительностью То с выхода коррелятора 13 на вход синхронизатора С 15 и на первый вход РУ 20 поступит отсчет экстремального значения АКФ сигнала ФМ ЛЧМ, с выхода которого к пользователю поступит либо информационный нуль, либо информационная единица. При этом сигналы с выхода синхронизатора 15, поступающие на вход УГТИ 16, изменяют его характеристики таким образом, что осуществляется поддержание найденных параметров синхронизации опорного и приходящого сигналов посредством управления блоками Г 9, ДЧ 17, ГФМ 14, КОР 13 и РУ 20.
ЛЧМ
0
ШПС
0
ВЛЧ
Очевидно, что база сигнала ФМ ЛЧМ будет равна произведению базы радиоимпульса с ЛЧМ В длительностью τ и ФМ ШПС В длительностью Т, то есть при Влчм^Т устойчивость сигналов ФМ ЛЧМ к воздействию канальных помех будет всегда больше, чем у ФМ ШПС. При этом, согласно выводам, приведенным в [Е.Г.Жиляков, С.П.Белов, А.С.Белов. Возможность применения одного класса сложных сигналов с ЛЧМ для передачи речевых данных в цифровых мобильных системах связи. Вопросы радиоэлектроники. Серия: Электронная вычислительная техника. - 2008. - №1. - С.161-170] изменением крутизны модуляционной характеристики радиоимпульсов с ЛЧМ можно значительно увеличить объем сигналов ФМ ЛЧМ по сравнению с объемом ФМ ШПС. Кроме того эти сигналы также при В>1 будут обладать инвариантностью к допплеровскому рассогласованию по частоте, что делает их еще более эффективными по сравнению с ФМ ШПС.
Варианты технической реализации всех введенных блоков не представляют затруднения. Они описаны в технической литературе и широко представлены в патентах. Например, блоки ДЧ и ГТИ описаны в [Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами / Г.И.Тузов, В.А.Сивов, В.И.Прытков, Ю.Ф.Урядников, Ю.А.Дергачев, А.А.Сулиманов. - М.: Радио и связь, 1985, стр.47 рис.2.8], блок УГТИ - там же, стр.118, рис.4.7, блоки перемножения - там же, стр.350, рис.21.5. Блок БФЧ описан в [Манаев, Е.И. Основы радиоэлектроники / Е.И.Манаев. - М.: Радио и связь, 1985, стр.333-335, рис.14.19, 14.20], различные способы детектирования и устройства их реализующие описаны там же на стр.383-412, ГУН описан в [Варакин, Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами / Л.Е.Варакин. - М.: Радио и связь, 1985, стр.302, рис.17.5].
Таким образом, введение дополнительных блоков в предлагаемую радиолинию обеспечивает достижение технического результата - повышение помехозащищенности передачи сигналов и увеличение ансамбля сложных сигналов с хорошими корреляционными свойствами.