СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННОГО СИГНАЛА СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF FORMING PHASE-SHIFT KEYED TELEMETRY SYSTEM SIGNAL AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области радиотехники и может найти применение в системах телеметрии с использованием для передачи данных фазоманипулированных (ФМ) сигналов.
Известны способ и устройство формирования ФМ-сигнала [Системы связи с шумоподобными сигналами / Л.Е. Варакин - М.: Радио и связь, 1985. С.16, рис. 1.7а], выбранные за аналоги.
Сущность аналога состоит в формировании ФМ-сигнала из непрерывного сигнала несущей частоты и двухпозиционного модулирующего фазу сигнала с использованием балансной модуляции, последующего усиления полученного ФМ-сигнала в ограниченной полосе частот до заданного уровня мощности и излучения.
Недостатками данного способа являются:
- значительный уровень внеполосных спектральных составляющих излучаемых сигналов;
- усиление с низким КПД мощности ФМ-сигнала перед излучением.
Первый недостаток обусловлен расширением спектра сигнала в результате фазовой модуляции.
Второй недостаток обусловлен тем, что при усилении непрерывного сигнала с модуляцией фазы в ограниченной полосе частот смена фазы при ее переключении сопровождается провалом амплитуды сигнала [Лернер И.М. Переходные процессы в полосовом фильтре при скачкообразных изменениях фазы / И.М. Лернер, Г.И. Ильин, С.М. Чернявский // Радиотехника и электроника. - 2011. - том. 56, - №3. - С. 346-351]. Таким образом, усилению подлежат, кроме элементарных посылок с постоянными амплитудой и фазой, также и области установления фазы и амплитуды, не несущие полезной информации.
Известны способ и устройство формирования ФМ-сигнала [Патент 2025903 РФ, МПК H04L 27/18 (1990.01). Способ формирования фазоманипулированного сигнала и устройство для его осуществления / Иванов Б.Д., Алешкин Н.И., Егоркин В.В.; заявитель и патентообладатель Всероссийский научно-исследовательский институт радиотехники. - 4533627/09; заявлено 23.07.90; опубликовано 30.12.94], в которых снижают уровень внеполосных спектральных составляющих излучаемых сигналов, выбранные за аналоги.
Сущность данного аналога заключается в генерации сигнала промежуточной частоты, фазовой манипуляции и усилении ФМ-сигнала промежуточной частоты, преобразовании ФМ-сигнала промежуточной частоты в сигнал несущей частоты и усилении его по мощности в ограниченной полосе частот, генерировании дополнительного сигнала, частота которого не равна промежуточной частоте, причем до усиления ФМ-сигнал промежуточной частоты суммируют с дополнительным сигналом, а после усиления суммарный сигнал ограничивают по амплитуде.
Недостатками аналога являются:
- повышенное энергопотребление;
- сложность практической реализации способа.
Первый недостаток обусловлен усилением по мощности областей смены фазы ФМ-сигнала, не несущих полезной информации, а также наличием трех энергопотребляющих источников сигналов.
Второй недостаток обусловлен формированием сигнала несущей частоты путем гетеродинирования из суммарного сигнала промежуточной частоты и дополнительного сигнала, что требует применения трех источников сигналов: сигнала промежуточной частоты, дополнительного сигнала и гетеродинного сигнала.
Известен способ формирования ФМ-сигнала [Патент 2165677 РФ, МПК H04L 27/32, Н04В 1/10, Н04В 1/68, Н04В 7/22 (2000.01). Линия связи дискретной информации с широкополосными сигналами / Безгинов И.Г., Борисов В.И., Давыдов И.В., Елфимова Т.И.; заявитель и патентообладатель Государственное унитарное предприятие Воронежский Научно-исследовательский институт связи. - 99117184/09; заявлено 03.08.99; опубликовано 20.04.01, Бюл. №11], при использовании которого формируют сигнал с пониженным уровнем внеполосных излучений. Данный способ выбран за прототип.
Сущность способа-прототипа заключается в использовании при формировании ФМ-сигнала прямого преобразования Фурье сигнала генератора фазоманипулированного широкополосного сигнала с получением его частотного спектра, развернутого во времени, и последующего возведения этого спектра в квадрат. При возведении спектра в квадрат боковые лепестки по отношению к основному максимуму снижаются, при этом основной лепесток развернутого во времени спектра обужается. При обратном преобразовании Фурье данного сигнала получают сигнал в виде функции времени с возведенным в квадрат спектром исходного сигнала. После модуляции полученным сигналом и информационным сигналом сигнала несущей частоты ФМ-сигнал усиливается по мощности в ограниченной полосе частот и излучается.
Недостатками способа-прототипа являются:
- пониженный объем передаваемой информации;
- повышенное энергопотребление;
- недостаточное снижение внеполосных спектральных составляющих в излучаемом ФМ-сигнале;
- сложность практической реализации способа.
Первый недостаток обусловлен применением преобразований Фурье, реализация которых требует повышенных временных затрат.
Второй недостаток обусловлен усилением по мощности областей смены фазы ФМ-сигнала, не несущих полезной информации.
Третий недостаток обусловлен расширением спектра сигнала в результате фазовой манипуляции.
Четвертый недостаток обусловлен необходимостью использования цифровых сигнальных процессоров, с помощью которых реализуют прямое и обратное преобразования Фурье.
Известно устройство формирования ФМ-сигнала [Патент 2541875 РФ, МПК Н04В 1/02 (2006.01). Радиопередающее устройство / Федосеев С.С., Кузнецов А.В.; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество «Научно-производственное объединение «Импульс». -2013109959/08; заявлено 05.03.13; опубликовано 20.02.15, Бюл. №5], выбранное за прототип.
Устройство-прототип содержит формирователь ФМ-сигналов, ключевой усилитель мощности, накопитель энергии, содержащий конденсатор и диод, причем конденсатор своими выводами подключен параллельно ко входам питания ключевого усилителя мощности, а диод включен между ключевым усилителем мощности и источником питания.
Недостатками устройства-прототипа являются:
- ограничение на величину частоты несущей излучаемого сигнала;
- значительный уровень внеполосных спектральных составляющих излучаемых сигналов;
- сложность практической реализации устройства.
Первый недостаток обусловлен зависимостью частоты несущей излучаемого сигнала от быстродействия ключей усилителя мощности.
Второй недостаток обусловлен расширением спектра сигнала в результате фазовой модуляции и недостаточной фильтрацией образованных внеполосных спектральных составляющих излучаемых сигналов узкополосной антенной, эквивалентом которой является открытый колебательный контур.
Третий недостаток обусловлен необходимостью создания и применения быстродействующих ключей для формирования ключевого режима работы усилителя мощности, время переключения которых значительно меньше периода несущего колебания.
Техническим результатом предлагаемого изобретения являются высокая скорость передачи информации, снижение внеполосных спектральных составляющих в излучаемом ФМ-сигнале, простота практической реализации.
Технический результат достигается тем, что в способе формирования фазоманипулированного сигнала системы телеметрии, заключающемся в формировании фазоманипулированного сигнала несущей частоты, усилений его мощности и излучении, фазоманипулированный сигнал перед усилением по мощности подвергают полосовой фильтрации, ограничивают по амплитуде сверху, подвергают предварительному усилению и в процессе предварительного усиления ограниченный сверху фазоманипулированный сигнал ограничивают снизу. Сформированный таким образом сигнал в виде последовательности радиоимпульсов с широтной манипуляцией и манипулированной начальной фазой усиливают по мощности и с помощью полосовой фильтрации формируют излучаемый сигнал, причем энергию не прошедших полосовую фильтрацию спектральных составляющих сформированной последовательности фазоманипулированных радиоимпульсов используют при усилении по мощности сигнала до выходной фильтрации.
Технический результат достигается тем, что в устройство формирования фазоманипулированного сигнала системы телеметрии, содержащее формирователь фазоманипулированного сигнала, усилитель мощности, источник постоянного напряжения, накопитель энергии, состоящий из соединенных последовательно диода, подключенного к источнику постоянного напряжения, и конденсатора, выводы которого подключены параллельно к входам питания усилителя мощности, и антенну, введены последовательно соединенные первый полосно-пропускающий фильтр, вход которого подключен к выходу формирователя фазоманипулированного сигнала, усилитель амплитуды сигнала с заданным порогом ограничения сверху, усилитель амплитуды сигнала с заданным порогом ограничения снизу, выход которого подключен к входу усилителя мощности. Введен Y-циркулятор, первое плечо которого подключено к выходу усилителя мощности. Введено устройство рекуперации, в состав которого входит накопитель энергии, так что соединенные последовательно согласующее устройство, первый и второй диоды устройства рекуперации подключены к общей точке конденсатора и диода накопителя энергии, также к общей точке первого и второго диода устройства рекуперации и общей шине подключен накопительный конденсатор устройства рекуперации, вход устройства рекуперации подключен к третьему плечу Y-циркулятора. Кроме того, в устройство введен второй полосно-пропускающий фильтр, вход которого подключен к второму плечу Y-циркулятора, а выход подключен к входу антенны.
Предлагаемый способ формирования ФМ-сигнала системы телеметрии и особенности построения устройства, осуществляющего данный способ, поясняют следующие рисунки (для примера на фиг. 1 и фиг. 2 рассмотрен случай 2-х позиционной фазовой манипуляции О/те,):
Фигура 1. Нормированные огибающие ФМ-сигналов в области смены фазы после полосовой фильтрации (штриховая линия), после ограничения по амплитуде сверху и снизу (штрихпунктирная линия), после выходной полосовой фильтрации (пунктирная линия) и идеализированная огибающая ФМ-сигнала в области смены фазы (сплошная линия).
Фигура 2. Нормированные спектры ФМ-сигналов с идеальным переключением фазы (а), после полосовой фильтрации (б), после ограничения по амплитуде сверху и снизу (в), после выходной полосовой фильтрации (г).
Фигура 3. Структурная схема устройства, осуществляющего предлагаемый способ формирования ФМ-сигнала.
На схеме фиг. 3 приняты следующие обозначения: 1 - формирователь фазоманипулированного сигнала (ФФС), 2 - первый полосно-пропускающий фильтр (ППФ1), 3 - усилитель амплитуды сигнала с заданным порогом ограничения сверху (УОВ), 4 - усилитель амплитуды сигнала с заданным порогом ограничения снизу (УОН), 5 - усилитель мощности (УМ), 6 - Y-циркулятор с направлением циркуляции по часовой стрелке (Y), 7 - второй полосно-пропускающий фильтр (ППФ2), 8 - антенна (А), 9 - устройство рекуперации (УР).
Фигура 4. Структурная схема устройства рекуперации.
На схеме фиг. 4 приняты следующие обозначения: 10 - согласующее устройство (СУ); 11 - первый диод (D1), 12 - накопительный конденсатор (С1), 13 - второй диод (D2), 14 - конденсатор накопителя энергии (С2), 15 - диод накопителя энергии (D3).
Фигура 5. Зависимость напряжения питания на усилителе мощности от времени (сплошная линия), зависимость напряжения питания на усилителе мощности от времени с учетом рекуперации (штриховая линия).
Предлагаемый способ формирования ФМ-сигнала системы телеметрии осуществляется следующим образом. ФМ-сигнал перед усилением подвергается полосовой фильтрации с целью формирования в областях смены фазы провалов по амплитуде. Нормированная огибающая ФМ-сигнала в области смены фазы после полосовой фильтрации приведена на фиг. 1 (штриховая линия). Длительность областей установления амплитуды при смене фазы определяется шириной полосы пропускания применяемого частотно-избирательного устройства и увеличивается обратно пропорционально полосе пропускания [Лернер И.М. Переходные процессы в полосовом фильтре при скачкообразных изменениях фазы / И.М. Лернер, Г.И. Ильин, С.М. Чернявский // Радиотехника и электроника. - 2011. - том. 56. - №3. - С. 346-351].
Далее ФМ-сигнал ограничивается по амплитуде сверху и предварительно усиливается с одновременным ограничением снизу. Нормированная огибающая ФМ-сигнала в области смены фазы после ограничения по амплитуде сверху и снизу приведена на фиг. 1 (штрихпунктирная линия). Можно видеть, что крутизна скатов при спадании и нарастании амплитуды сигнала увеличилась, появилась плоская часть в области провала амплитуды. Данная форма огибающей ФМ-сигнала в области смены фазы является более близкой к идеализированной форме огибающей, приведенной на фиг. 1 (сплошная линия), обладающей предельно крутыми фронтами и являющейся наиболее предпочтительной с точки зрения усиления с повышенным КПД мощности ФМ-сигнала, т.к. позволяет избежать усиления в области смены фазы, не несущей полезной информации. Численные оценки, проведенные для графиков огибающих ФМ-сигналов (фиг. 1 штриховая и штрихпунктирная линии), показывают, что площадь криволинейной трапеции, ограниченной огибающей ФМ-сйгнала после полосовой фильтрации в области смены фазы, в ~2 раза превышает аналогичную площадь, ограниченную огибающей ФМ-сигнала после ограничения по амплитуде сверху и снизу.
Полученный результат показывает возможность значительного выигрыша по КПД при последующем усилении по мощности ограниченного по амплитуде сверху и снизу ФМ-сигнала в рамках предлагаемого способа.
На фиг. 2 приведены нормированные спектры сигналов на различных этапах формирования излучаемого ФМ-сигнала. На рисунках фиг. 2 (а, б) можно видеть обужение спектра ФМ-сигнала после полосовой фильтрации по сравнению со спектром ФМ-сигнала с идеальным переключением фазы. На рисунках фиг. 2 (б, в) можно видеть обужение главного лепестка спектра ФМ-сигнала после ограничения его по амплитуде сверху и снизу, а также появление в спектре боковых лепестков, амплитуда которых растет с увеличением уровня ограничения сигнала.
Для формирования излучаемого ФМ-сигнала с пониженным уровнем внеполосных составляющих спектра применяется выходная полосовая фильтрация сигнала (фиг. 2г). На фиг. 1 (пунктирная линия) приведена нормированная огибающая ФМ-сигналов в области смены фазы после выходной полосовой фильтрации с учетом падения амплитуды из-за ограничения спектра излучаемого сигнала. На данном примере можно видеть, что ограничение спектра выходного ФМ-сигнала не приводит к значительному падению амплитуды (на фиг. 1 оно составляет не более 10%).
Таким образом, в предлагаемом способе формирования ФМ-сигнала спектр непрерывного ФМ-сигнала сначала обужается, ослабляя спектральные составляющие, обусловленные спектром модулирующей фазокодовой последовательности, затем расширяется за счет появления спектральных составляющих, образующихся при преобразовании непрерывного ФМ-сигнала в последовательность радиоимпульсов с модулированной начальной фазой, и, после усиления по мощности, снова обужается с ослаблением спектральных составляющих, обусловленных усилением последовательности радиоимпульсов, образующей ФМ-сигнал.
Структурная схема устройства, реализующего данный способ формирования фазоманипулированного сигнала, приведена на фиг. 3. Работа устройства осуществляется следующим образом. Формирователь фазоманипулированного сигнала 1 формирует непрерывный ФМ-сигнал (фиг. 2а). В первом полосно-пропускающем фильтре 2 спектр ФМ-сигнала ограничивается (фиг. 2б), что приводит к формированию провалов по амплитуде непрерывного сигнала в областях смены фазы. Далее сигнал ограничивается по амплитуде сверху усилителем амплитуды сигнала с заданным порогом ограничения сверху 3, ограничивается снизу усилителем амплитуды сигнала с заданным порогом ограничения снизу 4 (фиг.2в). Полученный радиоимпульсный сигнал усиливается по мощности в усилителе мощности 5, поступает через Y-циркулятор 6 и второй полосно-пропускающий фильтр 7 на вход антенны 8 и излучается. Наличие второго полосно-пропускающего фильтра 7 в схеме устройства позволяет избавиться от обусловленных импульсным режимом работы усилителя мощности 5 внеполосных спектральных составляющих в излучаемом ФМ-сигнале (фиг. 2г). Для улучшения энергетических характеристик устройства часть сигнала, спектр которой не попал в полосу пропускания второго полосно-пропускающего фильтр 7, отражается от его входа и через Y-циркулятор 6 поступает на вход устройства рекуперации 9, выход которого подключен к усилителю мощности 5. Уровни ограничения амплитуды ФМ-сигнала сверху и снизу, а также параметры полосовой фильтрации ФМ-сигнала до и после его усиления определяют по заданным значениям времени переключения фазы.
Практическая реализация усилителя амплитуды сигнала с заданным порогом ограничения сверху 3 может осуществляться на основе СВЧ-транзисторов средней мощности, работающих в режиме ограничения выходной мощности, а усилителя амплитуды сигнала с заданным порогом ограничения снизу 4 может осуществляться на основе СВЧ-транзисторов большой мощности, работающих в режиме класса С.
Конструктивное исполнение второго полосно-пропускающего фильтра 7 на большой уровень пропускаемой СВЧ-мощности может осуществляться на основе патента на изобретение РФ №2619363 «Полосно-пропускающий СВЧ-фильтр» [Патент 2619363 РФ, МПК Н01Р 1/219 (2006.01). Полосно-пропускающий СВЧ-фильтр / Шишкин Д.Р., Кунилов А.Л., Балобанов Е.С., Ивойлова М.М.; заявители и патентообладатели Госкорпорация «Росатом», ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова». - 2016129322; заявлено 18.07.16; опубликовано 15.05.17, Бюл. №14].
Таким образом, предложенное устройство обеспечивает импульсный режим усилителя мощности без применения модулирующих устройств, управляемых внешними сигналами, при этом на переходные процессы установления фазы и амплитуды, не несущие полезной информации, энергия источника питания не расходуется.
Структурная схема устройства рекуперации 9 приведена на фиг. 4. Устройство рекуперации 9 преобразует с помощью согласующего устройства 10 и первого диода 11 энергию отраженных от второго полосно-пропускающего фильтра 7 и прошедших через Y-циркулятор 6 спектральных составляющих сигнала в энергию электрического заряда конденсатора 12. К конденсатору 12 подключен второй диод 13, через который конденсатор 12 может разряжаться на конденсатор 14 накопителя энергии, подключенный параллельно к вводу питания усилителя мощности 5. Питание на усилитель мощности 5 поступает с источника питания через диод 15 накопителя энергии.
Устройство рекуперации работает следующим образом. При отсутствии сигнала на входе усилителя мощности 5 конденсатор 14 заряжается от источника питания через диод 15 до напряжения, равного напряжению этого источника. При появлении радиоимпульсного сигнала на входе усилителя мощности 5 питание на него поступает с конденсатора 14, разряжая его до заданной величины. С появлением радиоимпульса на входе второго полосно-пропускающего фильтра 7 его спектральные составляющие, не попавшие в полосу пропускания, отражаются, через Y-циркулятор 6 и согласующее устройство 10 поступают на первый диод 11, выпрямляются и импульсами тока заряжают конденсатор 12. При превышении напряжения на конденсаторе 12 напряжения на конденсаторе 14, первый начинает разряжаться на второй, чем замедляет разряд последнего. При рассогласовании антенны 8 с передающим трактом устройство рекуперации также обеспечивает преобразование энергии отраженных от ее входа радиоимпульсов и передачу ее в цепь питания усилителя мощности 5, в результате чего напряжение питания на нем возрастет. Графики зависимости напряжения питания на усилителе мощности от времени с учетом рекуперации и без приведены на фиг. 5. Увеличение напряжения питания на усилителе мощности 5 приведет к повышению уровня излучаемой мощности, что частично компенсирует ее потери за счет рассогласования антенны 8 с передающим трактом.
Применение способа формирования ФМ-сигнала системы телеметрии с ограничением по амплитуде сверху и снизу, а также введение рекуперации энергии отраженных спектральных составляющих в цепь питания усилителя мощности позволяют по сравнению с прототипами и аналогами:
- обеспечить простоту практической реализации без применения сложных аналоговых преобразований и алгоритмов, цифровых устройств и быстродействующих ключей;
- повысить быстродействие за счет отсутствия сложных алгоритмов цифровой обработки, что позволит увеличить скорость передачи информации;
- осуществлять усиление мощности ФМ-сигнала перед излучением с повышенным КПД;
- снизить уровень внеполосных спектральных составляющих излучаемого сигнала;
- частично компенсировать потери излучаемой мощности при рассогласованной антенне;
- снизить общее энергопотребление.
Таким образом, предлагаемые способ формирования ФМ-сигнала системы телеметрии и устройство для его осуществления обладают рядом существенных преимуществ перед прототипами и аналогами.