СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ РАДИОСИГНАЛОВ В РЕЖИМЕ ПСЕВДОСЛУЧАЙНОЙ ПЕРЕСТРОЙКИ РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ
METHOD OF TRANSMITTING RADIO SIGNALS IN THE MODE OF PSEUDORANDOM ADJUSTMENT OF THE OPERATING FREQUENCY

Предлагаемое изобретение относится к области радиосвязи и предназначено к применению в адаптивных системах радиосвязи для передачи радиосигналов в режиме псевдослучайной перестройки рабочей частоты в условиях воздействия комплекса преднамеренных, случайных и взаимных помех при работе нескольких радиолиний (радиосетей) на общей группе частот (в общем диапазоне частот).
Известен способ передачи радиосигналов в ограниченном диапазоне дециметровых и метровых волн, заключающийся в синхронной перестройке несущей частоты передатчика и частоты настройки приемника/приемников, корреспондентов радиосети, по дискретным значениям частот по заданной программе в режиме псевдослучайной перестройки рабочей частоты при работе нескольких активных посторонних радиопередатчиков N с использованием общего множества дискретных частот Q [Борисов В.И. и др. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. - М: Радио и связь, 2000. - 384 с., Макаренко С.И., Иванов М.С, Попов С.А. Помехозащищенность систем связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. Монография. - СПб.: 2013. - 166 с. ]
0
Известный способ осуществляется передачей сигналов в режиме псевдослучайной перестройки рабочей частоты. Он заключается в скачкообразном изменении несущей частоты в выделенном для работы средства радиосвязи диапазоне частот, при этом на дискретной частоте за время стояния t передается определенное число бит информации. Скачкообразное изменение частоты осуществляется последовательными периодическими быстрыми изменениями несущей частоты передатчика с последующим небольшим временем работы на текущей частоте, в течение которого передается заданное число бит информации, определяемое видом модуляции и скоростью перестройки частот. Условием приема сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты является синхронная перестройка частоты и равенство времени стояния приемника на рабочей частоте передатчика в каждом периоде перестройки. Вероятность обеспечения конфиденциальности и уменьшения потерь в режиме перестройки частоты тем больше, чем шире используемый диапазон частот и большее число частот используется при сеансе связи.
При этом на антенне имеются резонансные гармоники кратные долям полуволны, кратно укладывающиеся (целочисленно) на длине антенны. Наиболее выраженными по резонансу являются частоты, кратные полной длине волны, полуволне, четверти волны, одной восьмой длины. Доли меньше полуволны содержат составляющие и стоячей и бегущей волн. Поэтому наиболее эффективны по усилению полуволновые и полноволновые антенны.
В широком диапазоне частот (длин волн) сигнал передатчика, излучаемый антенной с неизменным линейным размером, имеет периодические изменения по интенсивности из-за изменения числа кратных длин полуволн на размере антенны. При рассогласовании длины волны передаваемого сигнала от полуволновой кратности на длине антенны интенсивность излучаемого сигнала в направлении приемника может уменьшаться ниже величины уверенного приема. Это снижает надежность передачи-приема информации. Поэтому целесообразно выделить и исключить полосы частот неустойчивой связи из диапазона перестройки. В то же время уменьшение числа частот перестройки увеличивает вероятность потери сигнала на каждой частоте стояния.
Надежность передачи-приема информации зависит от внешних атмосферных и искусственных радиопомех. Даже при непрерывной перестройке частоты передачи существует вероятность совпадения работы с одним или несколькими другими передатчиками, работающими в этом же диапазоне. Это приводит к искажению и потере информации, передаваемой на данной частоте за данное время стояния.
Недостатком известного способа является наличие в ограниченном диапазоне дециметровых и метровых волн частотных полос, в которых мощность передаваемого сигнала оказывается ниже допустимой величины, что ограничивает радиус уверенного приема передаваемого сигнала и повышает вероятность потери сигналов при временных совпадениях на одной частоте сигналов двух и более передатчиков.
Технический результат направлен на обеспечение передачи радиосигналов в режиме псевдослучайной перестройки рабочей частоты без снижения мощности излучения радиопередающего устройства ниже допустимого уровня и обеспечение максимального радиуса уверенного приема радиосигналов с минимально допустимой вероятностью потери сигнала при работе нескольких активных радиопередатчиков N с использованием общего множества дискретных частот Q.
Технический результат достигается тем, что в способе передачи радиосигналов в ограниченном диапазоне дециметровых и метровых волн, заключающемся в синхронной перестройке несущей частоты передатчика и частоты настройки приемника/приемников, корреспондентов радиосети, по дискретным значениям частот по заданной программе в режиме псевдослучайной перестройки рабочей частоты при работе нескольких активных посторонних радиопередатчиков N с использованием общего множества дискретных частот Q, задают отдельные поддиапазоны в окрестностях перестраиваемых несущих частот, соответствующих кратным долям половины длины волны mL/2 на длине антенны передатчика, а суммарная ширина поддиапазонов определена равенством:
где n - целое число, порядковый номер поддиапазона;
m - кратность гармоники (1/16, 1/8, 1/4, 1/2, 1);
с - скорость света;
L - длина антенны передатчика;
n
n
n2
n1
k≤Δλ/λ=(λ-λ)/λ - относительная величина,
n
n2
n1
n1
n
n2
где Δλ - ширина поддиапазона (в длинах волн) в окрестности частоты излучения с длиной волны, равной  λ и λ - граничные длины волн частот поддиапазонов, удовлетворяющих условию λ<λ<λ, определяемые по условию коэффициента усиления антенны не ниже заданного минимального значения:
min
где G - минимальное значение коэффициента усиления устойчивого режима передачи и приема при отсутствии атмосферных помех на граничных частотах заданного поддиапазона.
αmin
Е - минимальная напряженность электрического поля в направлении приемника при устойчивом приеме;
max
E - напряженность электрического поля в направлении максимума излучения;
max
η - коэффициент полезного действия антенны передатчика;
атм
k<1 - ослабление сигнала атмосферными помехами;
η
k - коэффициент уменьшения коэффициента полезного действия антенны при отклонении частоты передатчика от частот, кратных λ/2;
λ
где η - коэффициент полезного действия антенны на текущей частоте;
nλ/2
η - коэффициент полезного действия антенны на частоте, кратной λ/2;
при этом несущую частоту передатчика перестраивают по условию дискретного изменения частоты с шагом не менее ширины спектра передаваемого сигнала δƒ с заданным временем стояния на текущей дискретной частоте с вероятностью потери сигнала
2
N/Q,
где N - количество активных пользователей радиосетей, работающих в режиме псевдослучайной перестройки рабочей частоты с использованием общего множества частот Q=Δƒ/δƒ.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена схема фрагмента работы N радиосетей в ограниченном диапазоне дециметровых и метровых волн на общей группе частот Q.
A
n
На фиг. 2 приведены график функции относительных изменений интенсивности коэффициента усиления антенны G передачи-приема полезного сигнала в рабочем диапазоне волн  радиосети, ограниченных линией границы устойчивого сеанса связи и на оси абсцисс схема распределения рабочих поддиапазонов Δƒ в окрестностях частот ƒ с длинами волн излучения, кратными nλ/2 при длине антенны (излучателя) .
На фиг.3 приведены графики изменения коэффициента усиления антенны в зависимости от излучаемой частоты и длины антенны:
Схему фрагмента работы N радиосетей в ограниченном диапазоне дециметровых и метровых волн на общей группе частот Q можно представить как показано на фиг. 1.
Реализация предлагаемого изобретения (способа) поясняется на примере одновременной работы нескольких радиосетей по схеме, приведенной на фиг. 1. Схема радиосетей с несколькими радиопередатчиками и одним радиоприемником (далее - схема) содержит радиопередатчик 1, передающую антенну 2, соединенную с выходом радиопередатчика 1, радиоприемник 4, приемную антенну 3, соединенную с входом радиоприемника 4, среду 5 распространения сигнала (атмосфера, эфир), радиопередатчики 6, …, N, создающие мешающее воздействие (помехи), передаваемый сигнал 1', сигналы помех 6', …, N' радиопередатчиков 6, …, N, приводящие к потере сигнала приемником 4 при совпадении «помехи» с частотой передатчика 1.
Передающая антенна 2 (фиг. 1) при постоянной длине обладает разной эффективностью излучения на разных частотах вследствие разного соотношения размера антенны и длин волн излучаемых сигналов, изменяемых вследствие режима непрерывной перестройки частоты радиопередатчика 1. При этом соответственно изменяются интенсивность поступающего сигнала на приемную антенну 3 радиоприемника 4 и коэффициент усиления антенны.
n
Наибольший коэффициент излучения передающей антенны и усиления приемной антенны достигаются на частотах f, соответствующих целочисленным значениям полуволн на длине антенны  где n=1,2, … - целое число.
A
Вследствие зависимости коэффициента усиления антенны G от частоты ƒ в рабочем диапазоне длин волн  формируются несколько максимумов на частотах  между которыми образуются минимумы эффективности передачи-приема сигнала (фиг. 2, кривая 1). Очевидно, что вероятность потери информации в частотных поддиапазонах минимумов выше, чем на частотах в окрестностях максимумов.
Amin
При этом во избежание потери информации вследствие вероятно слабого уровня сигнала в минимумах усиления устанавливается уровень минимально допустимого коэффициента усиления G, ниже которого частотные поддиапазоны исключаются из режима сканирования псевдослучайной перестройки.
n
n
A
A
Для обеспечения устойчивой связи выбираются поддиапазоны частот Δƒ в окрестностях частот ƒ с длинами волн излучения, кратными nλ/2 при длине антенны (излучателя), коэффициент усиления передающей антенны в которых больше минимально допустимого коэффициента усиления G (жирные отрезки линий на оси абсцисс). Граничные частоты поддиапазонов определяются по пересечению линии (прямая 2, фиг. 2) минимально допустимого коэффициента усиления G с графиком функции (кривая 1, фиг. 2) коэффициента усиления антенны. При этом потери информации ввиду недостаточного усиления антенны (системы приема-передачи в целом) в минимумах устраняются.
Сужение полного диапазона в сумму поддиапазонов  несколько повышает вероятность совпадений с сигналами (помехами) других передатчиков 6, …, N, однако эта вероятность на порядки меньше в сравнении с потерями вследствие слабого по интенсивности принимаемого сигнала.
Установление граничных частот поддиапазонов в окрестностях частот с максимумами усиления по линии минимально допустимого коэффициента усиления может осуществляться на основе предварительных тестовых измерений коэффициентов усиления антенн, что возможно осуществлять для стационарных условий систем связи.
n
n
Для мобильных средств связи граничные частоты можно выбирать по доле от частоты в максимуме коэффициента усиления. Например Δƒ=0.1 ƒ при дополнительном условии  Этим условием устанавливаются промежутки нерабочих частот между рабочими поддиапазонами. Такой метод установления рабочих поддиапазонов может осуществляться автоматически передающей стороной как на передатчике, так и на приемнике радиоуправляемым способом.
Линия радиосвязи в режиме псевдослучайной перестройки рабочей частоты работает следующим образом:
A
0
Передаваемая информация вводится в радиопередатчик 1 в виде электрических сигналов. Этими сигналами модулируется генерируемый радиопередатчиком гармонический высокочастотный сигнал. Далее модулированный радиочастотный сигнал переносится на выходную радиочастоту, определяемую сигналом псевдослучайной последовательности, поступает в антенну 2 и с коэффициентом усиления G излучается в пространство 5 в направлении корреспондента (приемника 4) в течение заданного отрезка времени t и принимается антенной 3 приемника 4. В следующем отрезке времени, как и в предыдущем, входная информация преобразуется в передатчике 1 в модулированную радиочастоту, модулированная радиочастота переносится на выходную радиочастоту, определяемую сигналом псевдослучайной последовательности, и излучается антенной 2 в течение второго отрезка времени. Вторая выходная радиочастота, как правило, отличается от первой. Аналогично происходит работа передатчика 1 и в последующие отрезки времени.
Рассмотрим работу линии радиосвязи в приемной части.
В приемнике 4 принятые антенной 3 радиочастотные сигналы фильтруются на входе, и выделяется полезный сигнал.
2
Одновременно 6, …, N (фиг. 1) радиостанций, работающих на общей группе частот в режиме псевдослучайной перестройки рабочей частоты (ППРЧ), могут осуществлять передачу радиосигналов 6', …, N' и создавать помехи, которые принимаются антенной 3 приемника 4, что может привести к потере единичных сигналов с вероятностью N/Q.
Следует отметить, что генераторы псевдослучайной последовательности передатчика 1 и приемника 4 работают синхронно. Следовательно, по этой причине радиосигналы в соответствующие отрезки времени принимаются приемником 4 (или несколькими приемниками) за счет синхронной перестройки частоты. Синхронизация передатчика и приемника осуществляется заранее одним из известных способов.
Перестройка несущей частоты (скачок) может происходить в такой полосе частот, которая включает в себя несколько частотных каналов. Каждый канал можно рассматривать как спектральную область с центральной частотой, значение которой является одной из возможных несущих частот в выделенном диапазоне. Каналы могут быть смежными (соприкасающимися), или разнесенными друг от друга неиспользованными спектральными областями. Такой метод формирования сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ) позволяет исключать в случае необходимости из всей совокупности частотных каналов те каналы, которые заняты сильными помехами, или в которых имеют место устойчивые замирания.
Излучающие свойства антенн зависят не только от их формы, но и от частоты. При этом наибольший коэффициент усиления антенны достигается при кратности длины антенны к длине волны равной 1/2.
На фиг. 3 приведены экспериментальные зависимости коэффициента усиления антенны от частоты передаваемого сигнала для разных размеров антенны. Кривая 1 зарегистрирована при длине антенный =1,35 м; кривая 2 - при длине антенный =0,635 м; кривая 3 - при длине антенный =0,35 м. Приведенные зависимости подтверждают немонотонность зависимости коэффициента усиления антенны и эффективность осуществления передачи-приема в режиме перестройки частоты в окрестностях максимумов.
На антенне имеются резонансные гармоники, кратные любым долям волны, кратно укладывающиеся (целочисленно) на длине антенны. Наиболее выраженными по резонансу являются частоты, кратные полной длине волны, полуволне, четверти волны, одной восьмой длины. Доли меньше полуволны содержат составляющие и стоячей и бегущей волн. Поэтому наиболее эффективны по усилению полуволновые и полноволновые антенны.
Рассмотрим работу антенны с полуволновой кратностью гармоник.
Пусть частота гармоник
Тогда в частотном диапазоне сумма резонансных частот равна
Ширина частотного диапазона
Для гармоник  резонансных частот будет больше.
Общая формула:
m - кратность гармоники 1/16, 1/8, 1/4, 1/2, 1;
n - порядковый номер гармоники по нарастанию.
Тогда резонансная частота гармоники
Число резонансных частот:
min
max
N - определяется суммой частот в диапазоне ΔF=ƒ÷ƒ.
N определяем из условия
Полное количество частот работы равно:
ΔF - ширина диапазона рабочих частот радиосредства;
δƒ - ширина спектра передаваемого сигнала.
Так как между резонансными частотами имеются минимумы усиления антенны, то необходимо для повышения устойчивости сигнала их заблокировать, т.е. не использовать их в режиме перестройки частоты.
Исходя из этого, для работы системы радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты задают отдельные поддиапазоны в окрестностях перестраиваемых несущих частот, соответствующих кратным долям половины длины волны mλ/2 на длине антенны передатчика, а суммарная ширина поддиапазонов определена равенством:
где n - целое число, порядковый номер поддиапазона;
m - кратность гармоники (1/16, 1/8, 1/4, 1/2, 1);
с - скорость света;
L - длина антенны передатчика;
n
n
n2
n1
k≤Δλ/λ=(λ-λ)/λ - относительная величина,
где Δλn - задает граничные длины волн частот поддиапазонов, определяемые по условию коэффициента усиления антенны не ниже заданного минимального значения:
min
где G - минимальное значение коэффициента усиления устойчивого режима передачи и приема при отсутствии атмосферных помех на граничных частотах заданного поддиапазона.
αmin
E - минимальная напряженность электрического поля в направлении приемника при устойчивом приеме;
max
E - напряженность электрического поля в направлении максимума излучения;
max
η - коэффициент полезного действия антенны передатчика;
атм
k<1 - ослабление сигнала атмосферными помехами;
η
k - коэффициент уменьшения коэффициента полезного действия антенны при отклонении частоты передатчика от частот кратных λ/2;
η
где λ - коэффициент полезного действия антенны на текущей частоте;
nλ/2
η - коэффициент полезного действия антенны на частоте кратной λ/2;
при этом несущую частоту передатчика перестраивают по условию дискретного изменения частоты с шагом не менее ширины спектра передаваемого сигнала δƒ с заданным временем стояния на текущей дискретной частоте с вероятностью потери сигнала
2
N/Q,
где N - количество активных пользователей радиосетей, работающих в режиме псевдослучайной перестройки рабочей частоты с использованием общего множества частот Q=Δƒ/δƒ.
Таким образом, немонотонность сигнала от частоты и длины антенны, а соответственно, устойчивость сеанса связи может быть повышена теоретическим определением частот с экстремумами сигнала и двумя способами выбора поддиапазонов частот в окрестностях максимумов сигнала при удовлетворении требований по минимальным потерям информации.
A
Amin
Сопоставительный анализ показал, что участки частот ограниченного диапазона  в которых G<G могут достигать более половины рабочего диапазона частот радиосредства. При вероятности потери сигнала на участках с пониженным коэффициентом усиления антенны полная величина потерь единичных сигналов составит:
A
Amin
A
Amin
«Полная потеря сигнала при недостатке усиления+допустимые потери сигнала при одновременной работе нескольких корреспондентов на общей группе частот при равной величине поддиапазонов с G≥G и G≤G».
Потери по предлагаемому способу составят 30% Q/2 рабочего диапазона, что находится в пределах максимально допустимых потерь.
A
Amin
A
Amin
Излучающая антенна 2 передатчика 1 излучает все сигналы G≥G и полностью исключает возможную потерю сигнала на частотах, на которых G≤G вследствие превышения величины сигнал/шум.
Потери по прототипу составят:
30%Q/2+100%Q/2=65%Q.
По прототипу в таких условиях провести сеанс связи не представляется возможным. Сравнение предлагаемого изобретения с прототипом по условию реализации сеанса связи с максимально допустимой потерей информации в 30%, показывает, что устойчивость связи предлагаемым способом (предлагаемым изобретением) будет выше в два раза.