ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИК ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ
FREQUENCY-MODULATED SIGNAL TRANSCEIVER

Предлагаемый приемопередатчик частотно-модулированных сигналов относится к области радиотехники и предназначен для использования в радиотехнических системах управления и связи, в частности в корабельных системах взаимного обмена информацией - взаимного ориентирования (ВЗОИ-ВЗОР).
Обеспечение надежной связи для целей управления группой кораблей в районе боевых действий в условиях использования вероятным противником средств радиоразведки и радиопротиводействия имеет первостепенное значение.
Важное значение имеет обеспечение помехозащищенности и скрытности работы радиолиний, которая в свою очередь подразделяется на энергетическую скрытность, т.е. наличие факта излучения, и информационную скрытность - скрытность смысла передаваемой информации.
Известен частотно-модулированный (ЧМ) генератор, построенный по комбинированному методу получения ЧМ (см. Верещагин Е.М., Никитенко Ю.Г., Частотная и фазовая модуляция в технике связи. М., "Связь", 1974. стр.105). ЧМ генератор содержит источник модулирующих сигналов, фильтр высоких частот (ФВЧ), интегратор, фазовый модулятор, фильтр низких частот (ФНЧ), управляемый кварцевый генератор (УКГ) и предназначен для передачи широкополосных сигналов, например, дискретных сигналов, состоящих из ряда прямоугольных импульсов различной длительности.
Модулирующий сигнал подается на ФНЧ и ФВЧ.
С выхода ФНЧ сигнал модулирует УКГ, а с выхода ФВЧ сигнал подается через интегратор на фазовый модулятор. Напряжение несущей частоты с выхода УКГ, модулированное низкочастотным спектром модулирующего сигнала, включая постоянную составляющую, подается на ФМ, в котором дополнительно модулируется по фазе высокочастотными составляющими спектра модулирующего сигнала, прошедшими через интегрирующее устройство. В результате получается широкополосная частотная модуляция несущего колебания кварцевого генератора.
Указанное устройство, в котором используется метод суммирования спектров сигналов, модулированных по частоте и фазе (с учетом единой природы частотной и фазовой модуляции), обладает недостатком, а именно, высокочастотный сигнал, излучаемый в эфир после умножения частоты и усиления, представляет собой частотно-манипулированное колебание, т.е. последовательное чередование монохроматических колебаний с колебаниями, частота которых отличается на величину девиации при поступлении на вход генератора модулирующих импульсов. При современном уровне развития средств радиоразведки и радиопротиводействия такие сигналы могут быть обнаружены, декодированы и подавлены эффективной помехой.
Известен также передатчик частотно-модулированных сигналов для систем симплексной связи (см. авторское свидетельство №1840892, МПК Н03С от 11.11.1979 г.).
Передатчик ЧМ сигналов содержит последовательно соединенные генератор, фазовый модулятор, умножитель частоты, усилитель мощности и антенну, а также последовательно соединенные синхронизатор и модулятор, выход которого подключен к другому входу усилителя мощности, а другой выход синхронизатора соединен со входом источника модулирующих сигналов, при этом к другому входу фазового модулятора подключен выход кварцевого генератора, а выход интегратора соединен с входом устройства разряда. Между выходом источника модулирующих сигналов и входом интегратора включены последовательно соединенные устройство выделения огибающей импульсов и ключ, при этом между выходом источника модулирующих сигналов и входом интегратора также включено устройство задержки, а другой вход ключа подключен к выходу устройства разряда.
В указанном передатчике ЧМ сигналов применен косвенный метод получения частотной модуляции, при котором частотную модуляцию получают из фазовой модуляции. Несмотря на различные методы получения частотной модуляции (манипуляции) временные и спектральные характеристики выходного сигнала передатчика аналогичны выходному сигналу ЧМ генератора, построенному по комбинированному методу получения ЧМ, а следовательно, передатчику ЧМ сигналов присущ уже описанный выше недостаток - недостаточная информационная скрытность и помехозащищенность передаваемых сигналов.
Из известных приемо-передатчиков ЧМ сигналов наиболее близким по технической сущности и составу используемых элементов является приемо-передатчик ЧМ сигналов системы "Мост", ГК1.640.016.
Приемопередатчик содержит последовательно соединенные индикатор, частотный детектор (ЧД), усилитель промежуточной частоты (УПЧ) и смеситель приемника, подключенный к антенне, последовательно соединенные источник модулирующих сигналов, фильтр высоких частот, интегратор, фазовый модулятор, умножитель частоты и усилитель мощности, подключенный к антенне, синхронизатор, один выход которого соединен с источником модулирующих сигналов, а другой - через модулятор - со вторым входом усилителя мощности, а также управляемый кварцевый генератор (УКГ), выход которого подключен ко второму входу фазового модулятора, а вход - через фильтр низких частот - с выходом источника модулирующих сигналов.
1
2
Это приемо-передатчик симплексной связи, работа которого в режимах передачи и приема чередуется во времени. Сигнал с выхода умножителя частоты F (F) в режиме передачи кодовой импульсной информации является возбудителем передатчика, а в режиме приема информации - гетеродинным сигналом приемника.
2
1
пч
1
2
На другом подвижном объекте (корабле), с которым производится обмен информаций, включением соответствующего УКГ частота на выходе умножителя равна F (F), разность частот F=F-F является промежуточной частотой приемо-передатчика.
1
2
Информация, представляющая собой последовательный двоичный код видеоимпульсов постоянной амплитуды и различной длительности и скважности, поступает от источника модулирующих сигналов на ФНЧ и ФВЧ одновременно. Спектр импульсов, прошедших ФВЧ и интегратор, поступает на управляющий вход фазового модулятора. Фаза сигнала изменяется пропорционально интегралу от модулирующей функции, и фазомодулированный сигнал преобразуется в частотно-модулированный сигнал на выходе фазового модулятора. При этом обеспечивается постоянство девиации частоты для составляющих спектра, прошедших ФВЧ. На вход управляемого кварцевого генератора 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 частотно-модулированный сигнал с равномерной частотной модуляционной характеристикой в диапазоне от нуля герц до частоты, практически ограниченной лишь полосой пропускания нагрузки фазового модулятора. Далее ЧМ сигнал умножается умножителем до частоты F (F), усиливается усилителем мощности и излучается антенной, направленной в сторону корреспондента. Синхронизатором обеспечивается временное чередование приема и передачи информации, а также синхронизация работы модулятора, запирающего усилитель мощности передатчика на время приема.
На другом корабле у корреспондента работает аналогичный приемопередатчик, но несущая частота его передатчика (частота гетеродина приемника), у него отличается от частоты приемопередатчика на первом корабле на промежуточную частоту.
Принятый антенной корреспондента ЧМ сигнал поступает на смеситель приемника. На второй вход смесителя поступает гетеродинный сигнал с выхода умножителя частоты. Выделенный на выходе смесителя сигнал промежуточной частоты усиливается УПЧ, детектируется частотным детектором, декодируется и отображается на индикаторе.
Такое построение приемопередатчика позволяет получить относительно высокую помехозащищенность передачи, обусловленную примененным методом частотной модуляции, сложным кодированием и постоянством средней частоты передатчика относительно несущей частоты кварцевого генератора.
К существенному недостатку указанного приемопередатчика (как и вышеописанных аналогов), следует отнести недостаточную информационную скрытность и помехозащищенность передаваемого сообщения (кодовой импульсной информации), обусловленную тем, что закон изменения частоты ЧМ-сигналов передатчика, излучающихся в эфир, повторяет закон изменения кодовой импульсной информации. Как показывает моделирование работы системы ВЗОИ-ВЗОР, использование остронаправленных (в допустимых для корабельных систем пределах) антенн и сложное кодирование не исключает в некоторых случаях возможность радиоразведки сигналов и применения вероятным противником эффективных мер радиопротиводействия.
Целью настоящего изобретения является повышение информационной скрытности и помехозащищенности передаваемой информации.
Поставленная цель достигается тем, что в приемопередатчик, содержащий последовательно соединенные источник модулирующих сигналов, фильтр высоких частот, интегратор, фазовый модулятор, умножитель частоты, усилитель мощности и антенну, последовательно соединенные синхронизатор и модулятор, выход которого подключен к другому входу усилителя мощности, а другой выход синхронизатора подключен ко входу источника модулирующих сигналов, фильтр низких частот, вход которого подключен ко входу фильтра высоких частот, управляемый кварцевый генератор, выход которого подключен ко второму входу фазового модулятора, а также последовательно соединенные смеситель, усилитель промежуточной частоты и частотный детектор, при этом первый вход смесителя подключен к антенне, а другой - к выходу умножителя частоты, индикатор, введены: фильтр низких частот, фильтр высоких частот, два устройства задержки и сумматор, при этом между входом индикатора и выходом частотного детектора включены последовательно соединенные дополнительный фильтр высоких частот, устройство задержки и сумматор, дополнительный фильтр низких частот, вход которого подключен к выходу частотного детектора, а выход - ко второму входу сумматора, при этом между входом управляемого кварцевого генератора и выходом фильтра низких частот включено второе устройство задержки.
Введение в приемопередатчик частотно-модулированных сигналов фильтра высоких частот, фильтра низких частот, двух устройств задержки и сумматора позволяет повысить информационную скрытность и помехозащищенность передаваемой информации за счет искажения закона изменения частоты передаваемой кодовой импульсной информации вследствие раздельной передачи во времени низкочастотных и высокочастотных составляющих спектра, а также обеспечить компенсацию преднамеренных искажений сигналов в приемнике.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где представлены:
На фиг.1 - блок-схема предлагаемого приемопередатчика частотно-модулированных сигналов;
на фиг.2 - временные диаграммы работы приемопередатчиков ЧМ сигналов при длительностях задержек:
з
I - τ=0;
з
имп
II - τ<τ;
з
имп
III - τ>τ.
Приемопередатчик частотно-модулированных сигналов (фиг.1) содержит источник модулирующих сигналов 1, фильтр высоких частот 2, интегратор 3, фазовый модулятор 4, умножитель частоты 5, фильтр низких частот 6, устройство задержки 7, управляемый кварцевый генератор 8, усилитель мощности 9, модулятор 10, смеситель 11, усилитель промежуточной частоты 12, частотный детектор 13, фильтр высоких частот 14, устройство задержки 15, фильтр низких частот 16, сумматор 17, индикатор 18, синхронизатор 19 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 19 через модулятор 10 соединен со вторым входом усилителя мощности 9. Второй выход синхронизатора 19 соединен с входом источника модулирующих сигналов 1. Вход фильтра высоких частот 2 через фильтр низких частот 6, устройство задержки 7 и управляемый кварцевый генератор 8 соединен со вторым входом фазового модулятора 4. Первый вход смесителя соединен с антенной, а второй вход - с выходом умножителя частоты 5. Выход смесителя 11 через усилитель промежуточной частоты 12, частотный детектор 13, фильтр высоких частот 14 и устройство задержки 15 соединен с первым входом сумматора 17. Выход частотного детектора 13 через фильтр низких частот 16 соединен со вторым входом сумматора 17. Выход сумматора 17 соединен с индикатором 18.
Конкретное выполнение и работа умножителя частоты, модулятора, усилителя мощности, смесителя, усилителя промежуточной частоты и частотного детектора описаны в научно-технической литературе. В книге Верещагин Е.М., Никитенко Ю.Г., Частотная и фазовая модуляция в технике связи. М., "Связь", 1974, достаточно подробно описаны фазовый модулятор, управляемый кварцевый генератор, интегратор и фильтры низких и высоких частот. Источник модулирующих сигналов построен на элементах дискретной техники и в зависимости от вида передаваемого сообщения выдает различные кодовые импульсные последовательности. Индикатор представляет собой выходное цифровое устройство отображения на основе плазменного табло, совмещенное с декодирующим устройством принимаемой информации на дискретных элементах. Сумматор выполнен на основе операционного усилителя в интегральном исполнении, а примененные устройства задержки типа МЛЗ выпускаются промышленностью.
Приемопередатчик частотно-модулированных сигналов работает следующим образом. При его включении на обоих выходах синхронизатора 19 появляются сигналы, соответствующие работе приемо-передатчика в режиме передачи кодовой импульсной информации. Сигнал с первого выхода синхронизатора 19, равный по длительности времени передачи информации, поступает на вход модулятора 10, который обеспечивает в это время номинальный режим работы усилителя мощности 9.
Сигнал со второго выхода синхронизатора 19 поступает на вход источника модулирующих сигналов 1. При этом кодовая импульсная информация, предназначенная для передачи на другой подвижный объект, появляется на выходе источника модулирующих сигналов 1 и поступает одновременно на фильтр низких частот 6 и фильтр высоких частот 2. Низкочастотная часть спектра модулирующего сигнала, включая постоялую составляющую, пройдя фильтр низких частот 6, поступает на устройство задержки 7. Величина временной задержки устройств задержки выбирается заблаговременно таким образом, что ее значение должно быть одинаково для передатчика первого корреспондента и приемника второго корреспондента и наоборот.
Далее низкочастотная часть спектра сигнала поступает на управляемый кварцевый генератор 8 и управляет его частотой, то есть осуществляет частотную модуляцию стабильной несущей частоты кварца. Высокочастотная часть спектра модулирующего сигнала после ФВЧ поступает на интегратор 3, служащий для преобразования фазовой модуляции в частотную, и далее на вход фазового модулятора 4. Напряжение несущей частоты с выхода управляемого кварцевого генератора 8, модулированное низкочастотным спектром модулирующего сигнала с задержкой подается на фазовый модулятор 4, в котором дополнительно модулируется по фазе высокочастотными составляющими спектра модулирующего сигнала, прошедшими через интегратор 3. В результате получается широкополосная частотная модуляция несущего колебания кварца, закон изменения частоты которого не соответствует закону модулирующей функции передаваемой кодовой импульсной информации по причине задержки во времени поступления на вход фазового модулятора 4 сигнала с управляемого кварцевого генератора 8. Частотно-модулированный сигнал с выхода фазового модулятора 8 поступает на умножитель частоты 5 для получения номинала выходной частоты передатчика, усиливается усилителем мощности 9 и излучается антенной в свободное пространство.
1
2
После окончания передачи информации приемопередатчик сигналами синхронизатора 19 переводится в режим приема информации от другого корреспондента. Сигнал с первого выхода синхронизатора 19, равный по длительности времени приема информации, поступает на вход модулятора 10, который в это время уже не обеспечивает номинальный режим работы усилителя мощности 9. (Например, на первый анод лампы бегущей волны усилителя мощности 9 не поступает номинальное напряжение питания и происходит 100% стробирование выходной мощности передатчика на время приема информации приемником). При этом по сигналу со второго выхода синхронизатора 19 источник модулирующих сигналов 1 прекращает выдачу кодовой информации и на второй вход смесителя 11 приемника в это время поступает монохроматический гетеродинный сигнал частоты F (F).
2
1
Частотно-модулированный сигнал с несущей частотой F (F) излучаемый другим подвижным объектом, поступает в антенну и на первый (сигнальный) вход смесителя 11. Сигнал на промежуточной частоте после смесителя 11 усиливается усилителем промежуточной частоты 12, детектируется частотным детектором 13 и поступает на фильтр высоких частот 14 и фильтр низких частот 16 приемника одновременно. Устройство задержки 15 задерживает во времени поступления на сумматор 17 высокочастотную составляющую спектра сигнала на время, равное задержке низкочастотной составляющей спектра сигнала при передаче другим подвижным объектом. В результате на выходе сумматора 17, осуществляющего алгебраическое суммирование двух поступающих на его входы видеосигналов формируется импульсная кодовая последовательность, соответствующая передаваемой информации другим подвижным объектом. Принятая информация декодируется и отображается на индикаторе 18.
з
з
имп
з
имп
С целью упрощения дальнейшего объяснения работы приемопередатчика предположим, что параметры устройств задержки передатчиков и приемников двух корреспондентов одинаковы: Рассмотрим три случая, когда время задержки устройств равно нулю (τ=0), меньше длительности импульса (τ<τ) и больше длительности импульса (τ>τ).
имп
τ - длительность элементарного импульса источника модулирующих сигналов 1, соответствующего "единице" передаваемой двоичной кодовой информации.
На фиг.2 представлены временные диаграммы работы приемопередатчиков ЧМ сигналов при длительностях задержек
з
I) τ=0;
з
имп
II) τ<τ;
з
имп
III) τ>τ;
где: а) напряжение на выходе источника модулирующих сигналов;
б) напряжение на выходе ФНЧ передатчика;
в) напряжение на выходе устройства задержки передатчика;
г) напряжение на выходе ФВЧ передатчика;
д) напряжение на выходе интегратора;
е) закон изменения частоты на выходе управляемого кварцевого генератора;
ж) закон изменения частоты на выходе фазового модулятора (при поступлении с УКГ монохроматического сигнала);
з) напряжение на выходе частотного детектора;
и) напряжение на выходе ФНЧ приемника;
к) напряжение на выходе ФВЧ приемника;
л) напряжение на выходе устройства задержки приемника;
м) напряжение на выходе сумматора.
Использование фильтра высоких частот, фильтра низких частот, двух устройств задержки и сумматора выгодно отличает предлагаемый приемопередатчик частотно-модулированных сигналов от указанного прототипа, так как значительно повышается информационная скрытность и помехозащищенность передачи информации за счет искажения закона изменения частоты передаваемой кодовой импульсной информации вследствие раздельной передачи во времени низкочастотных и высокочастотных составляющих спектра, а также обеспечивается компенсация преднамеренных искажений сигналов в приемнике. Проведенные на ЭВМ расчеты показывают, что вероятность расшифровки разведприемником противника сигналов дискретной информации предлагаемого приемопередатчика уменьшается в 8-10 раз по сравнению с приемо-передатчиком системы "Мост". При этом имеется также выигрыш энергии принимаемого сигнала, которая у приемника корреспондента, согласованного по задержке, выше примерно в 2 раза по сравнению с несогласованным разведприемником вследствие одновременного приема низкочастотных и высокочастотных составляющих спектра сигнала информации. Введенные новые элементы просты по своему построению, но значительно улучшают важнейший тактико-технические показатель приемо-передатчика частотно-модулированных сигналов.
Приемопередатчик ЧМ сигналов отмакетирован и испытан на одном из комплектов изделия. Результаты испытаний подтвердили положительные качества предлагаемого приемопередатчика частотно-модулированных сигналов.