ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИК ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ
FREQUENCY-MODULATED SIGNAL TRANSCEIVER

Предлагаемый приемопередатчик частотно-модулированных (ЧМ) сигналов относится к области радиотехники и предназначен для использования в радиотехнических системах передачи информации, управления и связи, в частности в системах взаимного обмена информацией - взаимного ориентирования (ВЗОИ - ВЗОР) подвижных объектов.
1
2
Известен приемопередатчик ЧМ сигналов системы "Мост" (ГК1.640.016), разработанный в научно-исследовательском институте, "Квант" (авт. свид. №1840892, М.кл. H03C от 11.11.1979 г.). Приемопередатчик содержит последовательно соединенные индикатор, частотный детектор (ЧД), усилитель промежуточной частоты (УПЧ) и смеситель приемника, подключенный к антенне, последовательно соединенные источник модулирующих сигналов (ИМС), фильтр высоких частот (ФВЧ), интегратор, фазовый модулятор (ФМ), умножитель частоты и усилитель мощности, подключенный к антенне, синхронизатор, первый выход которого соединен с источником модулирующих сигналов, а второй - через модулятор со вторым входом усилителя мощности, а также управляемый кварцевый генератор (УКГ), выход которого подключен ко второму входу фазового модулятора (ФМ), а вход - через фильтр низких частот (ФНЧ) - с выходом источника модулирующих сигналов. Устройство представляет собой приемопередатчик симплексной связи, работа на прием и передачу которого чередуется во времени. Сигнал с выхода умножителя частоты F (F) в режиме передачи кодовой импульсной информации используется для возбуждения передатчика, а в режиме приема, в качестве гетеродинного сигнала приемника.
2
1
1
2
пр
1
2
2
У корреспондента, с которым производится связь, включением соответствующего УКГ - частота на выходе умножителя устанавливается равной F (F); разность частот F-F является промежуточной частотой F приемника. От источника модулирующих сигналов поступает одновременно на ФВЧ и ФНЧ информация в виде видеоимпульсов последовательного двоичного кода. Спектр видеоимпульсов, прошедших ФВЧ и интегратор, поступает на управляющий вход фазового модулятора. Фаза сигнала изменяется пропорционально интегралу от модулирующей функции и ФМ сигнал преобразуется в ЧМ на выходе фазового модулятора. При этом обеспечивается постоянство девиации частоты для составляющих спектра, прошедших ФВЧ. На вход УКГ поступают составляющие спектра импульсов, прошедших ФНЧ. Частота колебаний УКГ изменяется по закону модулирующего сигнала, прошедшего ФНЧ. Режим УКГ выбирается так, что обеспечивается равенство девиации частоты фазового модулятора и УКГ. Таким образом на выходе фазового модулятора получается ЧМ сигнал с равномерной частотной модуляционной характеристикой в диапазоне от нуля герц до частоты,  практически ограниченной полосой пропускания нагрузки фазового модулятора. Далее ЧМ сигнал умножается умножителем до частоты F (F), усиливается усилителем мощности и излучается антенной, направленной в сторону корреспондента. Синхронизатор обеспечивает временное чередование приема и передачи информации, а также синхронизацию работы модулятора, запирающего усилитель мощности на время приема сигнала. У другого корреспондента работает аналогичный приемопередатчик, несущая частота передатчика которого F отличается от частоты передатчика первого корреспондента на промежуточную частоту.
1
Принятый антенной корреспондента ЧМ сигнал поступает на смеситель приемника, на второй вход которого подается гетеродинный сигнал F с выхода умножителя частоты. Выделенный на выходе смесителя сигнал промежуточной частоты усиливается УПЧ, детектируется частотным детектором, декодируется и отображается индикатором.
Существенным недостатком указанного приемопередатчика является недостаточная информационная скрытность передаваемой информации, обусловленная тем, что закон изменения частоты ЧМ сигналов, излучаемых в эфир, повторяет закон изменения кодовой импульсной информации.
Известен также приемопередатчик ЧМ сигналов (авторское свидетельство №1840989, МПК Н04 131/38 от 2.10.1980 г., см. фиг. 2), содержащий последовательно соединенные источник модулирующих сигналов (1), первый фильтр высоких частот (2), интегратор 3, фазовый модулятор (4), умножитель частоты (5), усилитель мощности (9) и антенну, последовательно соединенные синхронизатор (19) и модулятор (10), выход которого подключен ко второму входу усилителя мощности (9), причем второй выход синхронизатора подключен к входу источника модулирующих сигналов, первый фильтр низких частот (6), вход которого подключен к входу первого фильтра высоких частот, управляемый кварцевый генератор (8), выход которого подключен к второму входу фазового модулятора, а также индикатор (18) и последовательно соединенные смеситель частоты (11), усилитель промежуточной частоты (12) и частотный детектор (13), причем первый вход смесителя частот подключен к антенне, а второй вход смесителя частот, к выходу умножителя частоты. Для повышения информационной скрытности и помехозащищенности передачи информации в этом приемопередатчике ЧМ сигналов (авт. свид. №1840989) между выходом частотного детектора и входом индикатора введены последовательно соединенные дополнительные второй фильтр высоких частот (15), второй элемент задержки (16) и сумматор (17), а также введен второй фильтр низких частот (14), вход которого подключен к выходу частотного детектора, а выход подключен к второму входу сумматора и первый элемент задержки (6), включенный между выходом первого фильтра низких частот и входом управляемого кварцевого генератора.
Такое построение указанного приемопередатчика, а именно введение в его состав ФНЧ, ФВЧ, элементов задержки и сумматора, обеспечивает то, что закон изменения частоты ЧМ сигнала, излучаемого в эфир, преднамеренно замаскирован, т.е. существенно искажен по сравнению с модулирующим вследствие раздельной передачи во времени низкочастотных и высокочастотных составляющих спектра сигнала в передатчике и последующей компенсации этого временного сдвига составляющих спектра сигнала в приемнике, поэтому этот приемопередатчик выбран в качестве прототипа.
Однако при исследованиях рассмотренного приемопередатчика выявлены следующие существенные технические недостатки:
1. Использование реальных фильтров (ФВЧ и ФНЧ) не позволяет избавиться от дополнительных искажений сигнала на выходе приемника, что ухудшает помехоустойчивость системы передачи.
2. Введение дополнительной задержки при раздельной передаче НЧ и ВЧ составляющих спектра ограничивает быстродействие обработки информации (появляется задержка сигнала на выходе приемника, равная задержке сигнала в первом элементе задержки).
Целью настоящего изобретения является повышение быстродействия и помехоустойчивости системы передачи информации при сохранности скрытности ее смысла.
Для достижения поставленной цели в известном приемопередатчике (авт. свид. №1840989 от 2.10.1980 г.) исключены в приемной части ФВЧ, ФНЧ, элемент задержки, сумматор и введены последовательно соединенные дифференцирующая цепь и компаратор между выходом частотного детектора и индикатором. Исключение в приемной части ЧМ приемопередатчика, искажающих полезный сигнал реальных ФВЧ и ФНЧ сумматора, позволяет повысить помехоустойчивость системы передачи.
Введение последовательно соединенных дифференцирующей цепи и компаратора позволяет повысить быстродействие отработки сигналов благодаря исключению элемента задержки в приемной части и получению от компаратора сигнала хорошей формы.
Сущность изобретения поясняют чертежи, где представлены:
на фиг. 1 - блок-схема предлагаемого ЧМ приемопередатчика;
на фиг. 2 - блок-схема прототипа ЧМ приемопередатчика (авт. свид. №1840989, МПК Н04В 1/38 от 2.10.1980);
на фиг.3 - осциллограммы сигналов в узловых точках, где
а) напряжение модулирующего сигнала;
б) выходное напряжение частотного детектора;
в) выходное напряжение дифференцирующей цепи;
г) выходное напряжение компаратора.
Приемопередатчик ЧМ сигналов (фиг. 1) содержит источник модулирующих сигналов 1, фильтр высоких частот 2, интегратор 3, фазовый модулятор 4, умножитель частоты 5, фильтр низких частот 6, элемент задержки 7, управляемый кварцевый генератор 8, усилитель мощности 9, модулятор 10, смеситель 11, усилитель промежуточной частоты 12, частотный детектор 13, дифференцирующую цепь 14, компаратор 15, индикатор 16, синхронизатор 17 и антенну.
Источник модулирующих сигналов 1 через фильтр высоких частот 2, интегратор 3, фазовый модулятор 4, умножитель частоты 5 и усилитель мощности 9 соединен с антенной.
Синхронизатор 17 через модулятор 10 соединен со вторым входом усилителя мощности 9. Второй выход синхронизатора 17 соединен с выходом источника модулирующих сигналов 1. Вход фильтра высоких частот 2 через фильтр низких частот 6, элемент задержки 7 и управляющий кварцевый генератор 8 соединен со вторым входом фазового модулятора 4. Первый вход смесителя 11 соединен с антенной, а второй - с выходом умножителя частоты 5.
Выход смесителя 11 через усилитель промежуточной частоты 12, частотный детектор 13, дифференцирующую цепь 14, компаратор 15 соединен с индикатором 16.
Конкретное выполнение блоков предлагаемого ЧМ приемопередатчика и принцип их работы приведен в обширной учебной и научно-технической литературе.
В частности, в книге Верещагина Е.М., Никитенко Ю.Г. Частотная и фазовая модуляция в технике связи. М., Связь, 1974, стр. 103…112, достаточно подробно описаны фазовый модулятор (4), управляемый кварцевый генератор (8), интегратор (3), ФНЧ (6) и ФВЧ (2), дифференцирующая цепь (14).
В качестве источника модулирующего сигнала (1) в предлагаемом приемопередатчике используется кодирующее устройство, выполняемое на интегральных микросхемах серии 133. Устройство выдает последовательный двоичный циклический код первичной информации.
Индикатор (16) представляет собой выходное цифровое устройство отображения информации на основе, например, плазменной индикаторной панели в сочетании с декодирующим устройством, выполненным на интегральных микросхемах, УПЧ (12), смеситель (11), частотный детектор (13) описаны на стр. 303-314 книги Терещука P.M. и др. "Малогабаритная аппаратура" (справочник радиолюбителя). Киев, "Наукова думка", 1974 г. Элемент задержки (7), имеющийся в схеме приемопередатчика, использован типа МЛЗ с дискретными выводами, выпускается промышленностью.
Компаратор (15) в схеме приемопередатчика используется выпускаемый промышленностью типа 521СА5 и содержит в своем составе дифференцирующий каскад и формирователь уровня входного напряжения. Схема такого компаратора описана на стр. 156 книги А.Г. Алексеенко и др. "Применение прецизионных аналоговых микросхем", М. "Радио и связь", 1985 г. Компаратор построен по двухпороговой схеме и выдает импульс после прихода положительного короткого импульса определенной амплитуды с дифференцирующей цепи и заканчивает выдачу этого импульса в момент прихода отрицательного импульса с дифференцирующей цепи.
Принцип действия передающей части предлагаемого приемопередатчика ни чем не отличается от принципа работы передающей части прототипа - приемопередатчика по авт. свид. №1840989, МПК Н04B 1/38.
Сигнал с источника модулирующих сигналов 1, проходя через ФВЧ, выделяет ВЧ составляющие спектра, которые, проходя через интегратор 3, обеспечивают быстрое изменение частоты сигнала УКГ 8 (практически безыинерционное). Сигнал, прошедший ФНЧ 6, управляет более медленными процессами УКГ, таким образом, если величина времени задержки элемента задержки равна нулю, на выходе ФМ 4, умножителя частоты 5 и усилителя мощности 9 получаем ВЧ ЧМ колебание, частота которого практически повторяет закон модулирующего сигнала.
При введении определенной величины задержки элемента задержки 7 закон изменения частоты становится непропорциональным модулирующему сигналу, т.е. преднамеренно искажается в целях скрытности смысла информации сигналов, прошедших умножитель частоты 5, усилитель мощности 9 и передающихся антенной.
Принятый антенной корреспондента сигнал поступает на смеситель частоты 11, УПЧ 12 и частотный детектор 13. Преобразования сигнала в этой цепи общеизвестны - на выходе получаем тоже искаженный сигнал, пропорциональный изменению частоты сигнала принятого антенной.
Дифференцирующая цепь 14 выделяет короткие импульсы наиболее быстрых процессов выходного сигнала частотного детектора.
Несмотря на преднамеренные искажения, временное положение наиболее быстрых процессов совпадает с началом модулирующего импульса (фронтом) и концом модулирующего импульса (спадом).
Короткими импульсами дифференцирующей цепи, превышающими определенные положительный и отрицательные пороги, формируются выходные сигналы компаратора, приближающиеся по форме к модулирующим, которые поступают на индикатор 16.
Формирование импульса информации компаратором производится после первого превышения положительного порога компаратора и заканчивается после последующего достижения выходным напряжением частотного детектора отрицательного порога компаратора.
В зависимости от введенной величины задержки между составляющими спектра, прошедшими ФВЧ и ФНЧ, происходят преднамеренные искажения ЧМ сигнала, излучаемого в эфир, а соответственно и амплитуды выходного сигнала частотного детектора приемной части корреспондента (см. фиг. 3-б).
Выходной сигнал частотного детектора (13), прошедший дифференцирующую цепь (14), преобразуется в сигнал, приведенный на фиг. 3-в.
Величина элемента задержки в передающей части па временное положение импульса на выходе компаратора практически не оказывает существенного влияния и на индикатор (16) поступает сигнал по форме близкий к модулирующему (фиг. 3-г).
Таким образом получено новое положительное качество приемопередатчика, улучшающее помехоустойчивость системы передачи информации при сохранении скрытности смысла информации, обусловленной передачей в эфир сигнала, закон изменения частоты которого преднамеренно искажен по отношению к модулирующему сигналу.
При этом также увеличивается быстродействие за счет исключения задержки в приемной части введенным дифференцирующей цепи и компаратору. Сохраняется также возможность использования предлагаемого приемопередатчика ЧМ сигналов при уменьшении скрытности передаваемой информации для совместной работы с известными приемопередатчиками изделия "Мост" или приемопередатчиком-прототипом.
Для проверки эффективности предлагаемого ЧМ приемопередатчика было приведено его макетирование и исследование.
Исследования проводились при следующих исходных данных:
и
- длительность модулирующих импульсов τ=3,3 мкс;
- частота повторения модулирующих импульсов T=6,6 мкс;
з
- максимальная величина элемента задержки t=1,65 мкс.
Из осциллограмм фиг. 3 видно, что выходное напряжение частотного детектора (фиг. 3-б) (пропорциональное девиации частоты высокочастотного колебания, передаваемого в эфир) значительно отличается от модулирующего, а воспроизведенное напряжение (фиг. 3-г) после компаратора близко к модулирующему.
Экспериментально доказано, что преднамеренные искажения закона изменения частоты сигнала можно увеличить с помощью изменения величины задержки между составляющими спектра, прошедшего ФВЧ и ФНЧ в передающей части.
Декодирование таких сигналов приемником с прямым частотным детектированием без предварительного пропускания через специальное дифференцирующую цепь и компаратор практически невозможен.
Авторам не известны аналогичные технические решения, сочетающие повышение быстродействия и помехоустойчивости системы передачи информации с сохранением скрытности ее смысла в излучаемых сигналах.