АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА АВАРИЙНОГО И ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ РЕГИОНА
AUTOMATED SYSTEM FOR EMERGENCY AND ENVIRONMENTAL MONITORING OF REGION

Предлагаемая система относится к области контрольно-измерительных систем и может быть использована при конструировании систем аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона.
Известны системы аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона (патенты РФ №№2.079.891, 2.138.126, 2.145.120, 2.150.126, 2.210.095, 2.257.598, 2.310.895; патент США №3.819.862; Михья Э. и др. «Система радиационного мониторинга окружающей среды» Журнал «Атомная техника за рубежом», М., 1998, №11, с.21-25 и другие).
Из известных систем наиболее близкой к предлагаемой является «Автоматизированная система аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона» (патент РФ №2.310.895, G01W 1/06, 2006), которая и выбрана в качестве прототипа.
Указанная система обеспечивает обмен дискретной и аналоговой информацией между контрольными постами и диспетчерским центром.
пр2
1
з1
Однако в приемопередатчиках, размещаемых на контрольных постах, одно и то же значение второй промежуточной частоты ω образуется при приеме сигналов на двух частотах: ω и ω, т.е.
пр2
1
г1
пр2
г1
з1
ω=ω-ω и ω=ω-ω,
пр2
2
з2
а в приемопередатчике, размещаемом на диспетчерском пункте, одно и то же значение второй промежуточной частоты ω образуется при приеме сигналов на двух частотах: ω и ω, т.е.
пр2
г2
2
пр2
з2
г2
ω=ω-ω и ω=ω-ω,
г1
г2
где ω и ω - частоты гетеродинов,
разнесены на значение второй промежуточной частоты:
г2
г1
пр2
ω-ω=ω.
1
2
з1
з2
1
2
пр2
г1
г2
Следовательно, если частоты настройки ω и ω принять за основные каналы приема, то наряду с ними будут иметь место зеркальные каналы приема, частоты ω и ω которых разнесены от частот ω и ω основных каналов приема на удвоенное значение второй промежуточной частоты 2ω и расположены симметрично (зеркально) относительно частот ω и ω гетеродинов (фиг.6).
Преобразование по зеркальным каналам приема происходит с тем же коэффициентом преобразования Кпр, что и по основным каналам приема, поэтому они наиболее существенно влияют на помехоустойчивость и избирательность приемников.
Кроме зеркальных существуют и другие дополнительные (комбинационные) каналы приема. В общем виде любой комбинационный канал приема имеет место при выполнении условия:
пр2
ki
г
ω=|±m*ω±n*ω|,
ki
где ω - частота i-го комбинационного канала приема;
m, n, i - целые положительные числа.
Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующие при взаимодействии первой гармоники частоты сигнала с гармониками частот гетеродинов малого порядка (второй, третий), так как чувствительность приемника по этим каналам близка к чувствительности основного канала. Так, четырем комбинационным каналам при m=1 и n=2 соответствуют частоты:
k1
г1
пр2
ω=2ω-ω,
k2
г1
пр2
ω=2ω+ω,
k3
г2
пр2
ω=2ω-ω,
k4
г2
пр2
ω=2ω+ω.
Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальным и комбинационным каналам, приводит к снижению избирательности и помехоустойчивости приемников, устанавливаемых на контрольных постах и диспетчерском пункте.
Технической задачей изобретения является повышение избирательности и помехоустойчивости приемников, размещаемых на контрольных постах и диспетчерском пункте, путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальным и комбинационным каналам.
Поставленная задача решается тем, что автоматизированная система аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона, включающая, в соответствии с ближайшим аналогом, стационарные контрольные посты с детекторами для измерения параметров и характеристик окружающей среды, мобильные контрольные посты с детекторами, каждый из которых включает блок определения местоположения, центральный контрольный пункт, блоки управления и приемопередатчики прямой и обратной связи контрольных постов с центральным контрольным пунктом, при этом каждый из стационарных и мобильных контрольных постов дополнительно содержит блок предварительной обработки информации, в который передаются данные измерений параметров и характеристик окружающей среды с датчиков стационарных и мобильных контрольных постов, а с блока предварительной обработки информация поступает в блок управления соответствующего контрольного поста, затем на блок шифрования от несанкционированного доступа и далее через блок помехоустойчивого кодирования в приемопередатчик, информация с которого поступает на центральный контрольный пункт, каждый приемопередатчик выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом блока помехоустойчивого кодирования, амплитудного модулятора, второй вход которого соединен с выходом блока аналоговых сообщений, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, первого усилителя мощности, дуплексера, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второго усилителя мощности, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, и усилителя второй промежуточной частоты, последовательно включенных амплитудного ограничителя и синхронного детектора, выход которого является первым выходом приемопередатчика, последовательно подключенных к выходу первого гетеродина первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом амплитудного ограничителя, полосового фильтра и фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, а выход является вторым выходом приемопередатчика, частоты гетеродинов разнесены на значение второй промежуточной частоты
г2
г1
пр2
ω-ω=ω,
каждый из стационарных и мобильных контрольных постов излучает сложные сигналы с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией на одной несущей частоте
1
пр1
г2
ω=ω=ω,
а принимает на другой частоте
2
пр
г1
ω=ω=ω,
пр
где ω - промежуточная частота;
пр1
ω - первая промежуточная частота;
г1
г2
ω, ω - частоты первого и второго гетеродинов,
2
1
а центральный контрольный пункт, наоборот, излучает сложные сигналы с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией на одной несущей частоте ω, а принимает на другой частоте ω, отличается от ближайшего аналога тем, что каждый приемопередатчик снабжен двумя фазовращателями на +90° и -90°, третьим смесителем, вторым усилителем второй промежуточной частоты, сумматором, вторым перемножителем, узкополосным фильтром, амплитудным детектором и ключом, причем к второму выходу второго гетеродина последовательно подключены первый фазовращатель на -90°, третий смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, второй усилитель второй промежуточной частоты, второй фазовращатель на +90°, сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя второй промежуточной частоты, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, узкополосный фильтр, амплитудный детектор и ключ, второй вход которого соединен с выходом сумматора, а выход подключен к входу амплитудного ограничителя и к второму входу синхронного детектора, к второму выходу второго гетеродина приемопередатчика каждого контрольного поста подключен фазовращатель на -90°.
Структурная схема системы представлена на фиг.1. Структурная схема стационарного контрольного поста изображена на фиг.2. Структурная схема мобильного контрольного поста изображена на фиг.3. Структурная схема приемопередатчика, размещаемого на каждом стационарном и мобильном контрольном посту, изображена на фиг.4. Структурная схема приемопередатчика, размещаемого на центральном контрольном пункте, изображена на фиг.5. Частотная диаграмма, поясняющая процесс преобразования сигналов по частоте, показана на фиг.6. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы приемопередатчика, показаны на фиг.7.
1
n
1
m
Система содержит стационарные контрольные посты 1 (C, …, C), мобильные контрольные посты 2 (M, …, M), прямые и обратные связи 3, Центральный контрольный пункт 4.
1
k
Каждый стационарный контрольный пост содержит детекторы D÷D, блок 5.i предварительной обработки, блок 6.i шифрования, блок 7.i помехоустойчивого кодирования, блок 8.i аналоговых сообщений, приемопередатчик 9.i, блок 10.i управления, канал 11.i прямой и обратной связи (i=1, 2, …, n).
1
L
Каждый мобильный контрольный пост содержит детекторы D÷D, блок 12.j предварительной обработки информации, блок 13.j шифрования, блок 14.j помехоустойчивого кодирования, блок 15.j аналоговых сообщений, приемопередатчик 16.j, блок 17.j управления, канал 18.j прямой и обратной связи, блок 19.j определения местоположения (j=1, 2, …, m).
Каждый приемопередатчик выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора 20 (38), фазового манипулятора 21 (39), второй вход которого соединен с выходом блока 7 (14) помехоустойчивого кодирования, амплитудного модулятора 22 (40), второй вход которого соединен с выходом блока 8 (15) аналоговых сообщений, первого смесителя 24 (42), второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 23 (41), усилителя 25 (43) первой промежуточной частоты, первого усилителя 26 (44) мощности, дуплексера 27 (45), вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 28 (46), второго усилителя 29 (47) мощности, второго смесителя 31 (49), второй вход которого соединен с первым выходом второго гетеродина 30 (48), первого усилителя 32 (50) второй промежуточной частоты, сумматора 60 (69), второго перемножителя 61 (70), второй вход которого соединен с выходом второго усилителя 29 (47) мощности, узкополосного фильтра 62 (71), амплитудного детектора 63 (72), ключа 64 (73), второй вход которого соединен с выходом сумматора 60 (69), амплитудного ограничителя 33 (51) и синхронного детектора 34 (52), второй вход которого соединен с выходом ключа 64 (73), а выход является первым I выходом приемопередатчика 9 (16), последовательно подключенных к выходу первого гетеродина 23 (41) первого перемножителя 35, второй вход которого соединен с выходом амплитудного ограничителя 33 (51), полосового фильтра 36 (54) и фазового детектора 37 (55), второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 30 (48), а выход является вторым II выходом приемопередатчика 9 (16), последовательно подключенных к второму выходу второго гетеродина 30 (48) первого фазовращателя 56 (65), третьего смесителя 57 (66), второй вход которого соединен с выходом второго усилителя 29 (47) мощности, второго усилителя 58 (67) второй промежуточной частоты и второго фазовращателя 59 (68) на +90°, выход которого соединен с вторым входом сумматора 60 (69).
Система работает следующим образом.
1
k
1
L
Каждый стационарный и мобильный контрольный пост состоит из детекторов D÷D, D÷D, измеряющих состояние окружающей среды (уровень гамма излучения, температуру и т.п.), с выходов которых данные подаются на входы блоков 5.1 и 12.j (i=1, 2, …, n, j=1, 2, …, m) предварительной обработки информации соответственно об этом состоянии среды. В этих блоках по программе, записанной в блоках 10.j и 17.j управления, производится определение интегральных параметров среды (средних за заданный период измерений значений, тренда и др.), сокращение объема передаваемой в канал связи информации, определение предаварийной или аварийной ситуации, накопление и хранение данных предшествующих измерений и т.п. Например, спектрометрический детектор гамма излучения измеряет количество и энергию гамма-квантов, попавших в его сенсор за время измерения, например за 1 час. Эти данные с выхода детекторов подаются на вход блоков 5.i и 12.j предварительной обработки информации, где по полученному энергетическому «спектру» распределения определяется, например, превышение уровня излучения тех или иных радионуклидов в среде над пороговым уровнем, например аварийным.
Если такое превышение уровня произошло, то блоки 10.i и 17.j управления по внутренней программе переходят в предаварийный или аварийный режим работы, осуществляют экстренное вхождение в связь с центральным контрольным пунктом 4 и (при необходимости) оповещают персонал. Если канал связи занят или неисправен, то производится хранение информации в запоминающем устройстве и повторный выход на связь.
В каналы связи 11.i и 18.j передается предварительно обработанная - сжатая (за счет сокращения избыточности или малой информативности) информация. Например, можно значительно уменьшить объем передаваемой по каналу связи информации, используя быстрое преобразование Фурье полученного спектра. Соответственно, почти во столько же раз становится возможным увеличение количества работающих в этом канале контрольных постов. В ряде случаев достаточным является передача интегральных (усредненных по многим измерениям) значений контролируемого параметра среды, например уровня радиационного фона или превышение порога аварийного уровня. Выполнение этой функции блоками 5.i и 12.j предварительной обработки информации также приводит к значительному сокращению объема передаваемой информации. Выходы этих блоков соединяются с входами блоков 6.i и 13.j шифрования, обеспечивающих, например, криптографическое шифрование информации от несанкционированного доступа. В этом случае обеспечивается защита системы от террористов, хакеров или кого-либо, не имеющих право получать, преобразовывать или вводить искаженную информацию, если не произошла компрометация секретных ключей.
Выходы блоков 6.i и 13.j шифрования соединяются с входами блоков 7.i и 14.j помехоустойчивого кодирования, обеспечивающих выявление и исправление ошибок на приеме в центральном контрольном пункте 4. Ошибки могут возникать из-за помех и шумов в канале связи и/или в приемной аппаратуре. Выходы блоков 7.i и 14.j помехоустойчивого кодирования через блоки 8.i и 15.j аналоговых сообщений соединяются с входами приемопередатчиков 9.i и 16.j, выходы которых соединяются с входами каналов связи 11.i и 18.j соответственно. Управляющие входы всех указанных блоков соединены с выходами блоков 10.i и 17.j управления, задающих режим их работы по внутренним программам или командам, передаваемым из центрального контрольного пункта (диспетчерского центра) 4.
При включении задающего генератора 20 последний формирует гармоническое колебание (фиг.7, а)
c1
c1
c
c1
c1
U(t)=υ*Cos(ωt+φ), 0≤t≤T,
c1
c
с1
c1
1
где υ, ω, φ, T - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность колебания, которое поступает на первый вход фазового манипулятора 21, на второй вход которого подается модулирующий код M(t) (фиг.7, б) с выхода блока 7 помехоустойчивого кодирования. На выходе фазового манипулятора 21 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн) (фиг.7, в)
1
c1
c
k1
с1
c1
U(t)=υ*Cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
k1
1
k1
э
э
э
где φ(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг.7, б), при этом φ(t)=const при k*τ<t<(k+1)*τ и может изменяться скачком при t=k*τ, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2, …, N-1);
э
c1
c1
э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T, (T=N*τ),
1
который поступает на первый вход амплитудного модулятора 22. На второй вход амплитудного модулятора 22 поступает модулирующая функция m(t) (фиг.7, г) с выхода блока 8 аналоговых сообщений. На выходе амплитудного модулятора 22 образуется сложный сигнал с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией (ФМн-AM) на одной несущей частоте (фиг.7, д)
2
c1
1
c
k1
с1
c1
U(t)=υ[1+m(t)]*Cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
1
где m(t) - модулирующая функция, отображающая закон амплитудной модуляции.
2
Сформированный сигнал U(t) поступает на первый вход первого смесителя 24, на второй вход которого подается напряжение первого гетеродина 23
г1
г1
г1
г1
U(t)=υ*Cos(ωt+φ).
На выходе смесителя 24 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 25 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты (фиг.7, е)
пр1
пр1
1
пр1
k1
пр1
c1
U(t)=υ[1+m(t)]*Cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
пр1
c1
г1
где υ=1/2*υ*υ;
пр1
с1
г1
ω=ω+ω - первая промежуточная частота (фиг.6);
пр1
с1
г1
φ=φ+φ.
1
пр1
Это напряжение после усиления в усилителе 25 мощности поступает через дуплексер 27 в приемопередающую антенну 28, излучается ею в эфир на частоте ω=ω, улавливается приемопередающей антенной 46 центрального контрольного пункта (диспетчерского центра) и через усилитель 47 мощности поступает на первые входы смесителей 49 и 66, на вторые входы которых подаются напряжения гетеродина 48.
г1
г1
г1
г1
U(t)=υ*Cos(ωt+φ),
г1
г1
г1
г1
U′(t)=υ*Cos(ωt+φ+90°).
На выходе смесителей 49 и 66 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 50 и 67 выделяются напряжения второй промежуточной (разностной) частоты
пр2
пр2
1
пр2
k1
пр2
U(t)=υ[1+m(t)]*Cos[ωt+φ(t)+φ],
пр3
пр2
1
пр2
k1
пр2
c1
U(t)=υ[1+m(t)]*Cos[ωt+φ(t)+φ-90°], 0≤t≤T,
пр2
пр1
г1
где υ=l/2*υ*υ;
пр2
пр1
г1
ω=ω-ω - вторая промежуточная частота;
пр2
пр1
г1
φ=φ-φ.
пр3
Напряжение U(t) с выхода усилителя 67 второй промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 68 на 90°, на выходе которого образуется напряжение
пр4
пр2
1
пр2
k1
пр2
U(t)=υ[1+m(t)]*Cos[ωt+φ(t)+φ-90°+90°]=
пр2
1
пр2
k1
пр2
c1
=υ[1+m(t)]*Cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T.
пр2
пр4
Напряжения U(t) и U(t) поступают на два входа сумматора 69, на выходе которого образуется суммарное напряжение (фиг.7, ж)
Σ1
Σ1
1
пр2
k1
пр2
c1
U(t)=υ[1+m(t)]*Cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
Σ1
пр2
где υ=2υ,
пр1
которое подается на второй вход перемножителя 70. На первый вход последнего поступает принимаемый ФМн-сигнал U(t) с выхода усилителя 47 мощности. На выходе перемножителя 70 образуется напряжение (фиг.7, з)
3
3
1
г1
г1
C1
2
U(t)=υ[1+m(t)]*Cos(ωt+φ), 0≤t≤T,
3
пр1
Σ1
где υ=1/2*υ*υ,
н1
г1
н1
г1
которое выделяется узкополосным фильтром 71, частота настройки ω которого выбирается равной частоте ω гетеродина 48 (ω=ω), детектируется амплитудным детектором 72 и подается на управляющий вход ключа 73, открывая его. В исходном состоянии ключи 64 и 73 всегда закрыты.
Σ1
При этом суммарное напряжение U(t) с выхода сумматора 69 через открытый ключ 73 поступает на первый (информационный) вход синхронного детектора 52 и на вход амплитудного ограничителя 51. На выходе последнего образуется напряжение
4
0
пр2
k1
пр2
С1
U(t)=υ*Cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤Т,
0
где υ - порог ограничения,
которое представляет собой сложный сигнал с фазовой манипуляцией на второй промежуточной частоте, используется в качестве опорного напряжения и поступает на второй (опорный) вход синхронного детектора 52. В результате синхронного детектирования на выходе синхронного детектора 52 образуется низкочастотное напряжение (фиг.7, и)
H1
H1
1
C1
U(t)=υ[1+m(t)], 0≤t≤T,
Н1
Σ1
0
где υ=1/2*υ*υ,
1
пропорциональное модулирующей функции m(t) (фиг.7, г). Это напряжение с первого I выхода приемопередатчика 16 поступает в блок регистрации и анализа.
4
Напряжение U(t) с выхода амплитудного ограничителя 51 поступает на первый вход перемножителя 53, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 41
г2
г2
г2
г2
U(t)=υ*Cos(ωt+φ).
На выходе перемножителя 53 образуется напряжение (фиг.7, к)
5
5
г1
k1
г1
С1
U(t)=υ*Cos[ωt-φ(t)+φ], 0≤t≤Т,
5
0
г2
где υ=1/2*υ*υ,
г1
которое выделяется полосовым фильтром 54 и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 55. На второй (опорный) вход фазового детектора 55 подается напряжение U(t) гетеродина 48. В результате фазового детектирования на выходе фазового детектора 55 образуется низкочастотное напряжение (фиг.7, л)
H2
H2
k1
C1
U(t)=υ*Cosφ(t), 0≤t≤T,
H2
5
г1
где U=1/2*υ*υ,
1
пропорциональное модулирующему коду M(t) (фиг.7, б). Это напряжение со второго II выхода приемопередатчика 16 поступает в блок регистрации и анализа.
На центральном контрольном пункте (диспетчерском центре) с помощью задающего генератора 38 формируется гармоническое колебание
c2
c2
c
с2
C2
U(t)=υ*Cos(ωt+φ), 0≤t≤T,
2
2
которое поступает на первый вход фазового манипулятора 39, на второй вход которого подается модулирующий код M(t) с выхода блока 14 помехоустойчивого кодирования. Модулирующий код М(t) может содержать сигналы запроса, команды на включение и выключение контрольных постов и т.п. На выходе фазового манипулятора 39 образуется сложный ФМн-сигнал
6
c2
c
k2
с2
С2
U(t)=υ*Cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤Т,
2
который поступает на первый вход амплитудного модулятора 40. На второй вход амплитудного модулятора 40 подается модулирующая функция m(t) с выхода блока 15 аналоговых сообщений. На выходе амплитудного модулятора 40 образуется сложный сигнал с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией (ФМн-AM) на одной несущей частоте
7
c2
2
c
k2
с2
C2
U(t)=υ[1+m(t)]*Cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T.
7
г2
Сформированный сигнал U(t) поступает на первый вход смесителя 42, на второй вход которого подается напряжение U(t) гетеродина 41. На выходе смесителя 42 образуются напряжение комбинационных частот. Усилителем 43 выделяется напряжение промежуточной частоты
пр5
пр5
2
пр
k2
пр5
С2
U(t)=υ[1+m(t)]*Cos[ωt-φ(t)+φ], 0≤t≤Т,
пр5
c2
г2
где υ=1/2*υ*υ;
пр
г2
c
ω=ω-ω - промежуточная частота;
пр5
г2
с2
φ=φ-φ.
2
пр
Это напряжение после усиления в усилителе 44 мощности через дуплексер 45 поступает в приемопередающую антенну 46, излучается ею на частоте ω=ω в эфир, улавливается приемопередающей антенной 28 и через дуплексер 27 и усилитель 29 мощности поступает на первые входы смесителей 31 и 57, на вторые входы которых подаются напряжения гетеродина 30:
г2
г2
г2
г2
U(t)=υ*Cos(ωt+φ),
г2
г2
г2
г2
U′(t)=υ*Cos(ωt+φ-90°).
На выходе смесителей 31 и 57 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 32 и 58 выделяются напряжения второй промежуточной (разностной) частоты
пр6
пр6
2
пр2
k2
пр6
U(t)=υ[1+m(t)]*Cos[ωt+φ(t)+φ],
пр7
пр6
2
пр2
k2
пр6
С2
U(t)=υ[1+m(t)]*Cos[ωt+φ(t)+φ-90°], 0≤t≤Т,
пр6
пр2
г2
где υ=1/2*υ*υ;
пр2
г2
пр
ω=ω-ω - промежуточная частота;
пр6
г2
пр5.
φ=φ-φ
пр7
Напряжение U(t) с выхода усилителя 58 второй промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 59 на +90°, на выходе которого образуется напряжение
пр8
пр6
2
пр2
k2
пр6
U(t)=υ[1+m(t)]*Cos[ωt+φ(t)+φ-90°+90°]=
пр6
2
пр2
k2
пр6
C2
=υ[1+m(t)]*Cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T.
6
пр8
Напряжения U(t) и U(t) поступают на два входа сумматора 60, на выходе которого образуется суммарное напряжение
Σ2
Σ2
2
пр2
k2
пр6
C2
U(t)=υ[1+m(t)]*Cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
Σ2
пр6
где υ=2υ,
пр5
которое подается на второй вход перемножителя 61. На первый вход последнего поступает принимаемый ФМн-сигнал U(t) с выхода усилителя 29 мощности. На выходе перемножителя 61 образуется напряжение
8
8
2
г2
г2
С2
U(t)=υ[1+m(t)]*Cos(ωt+φ), 0≤t≤Т,
8
пр5
Σ2
где   υ=1/2*υ*υ,
н2
г2
н2
г2
которое выделяется узкополосным фильтром 62, частота настройки ω которого выбирается равной частоте ω гетеродина 30 (ω=ω), детектируется амплитудным детектором 63 и подается на управляющий вход ключа 64, открывая его.
Σ2
При этом суммарное напряжение U(t) с выхода сумматора 60 через открытый ключ 64 поступает на первый (информационный) вход синхронного детектора 34 и на вход амплитудного ограничителя 33. На выходе последнего образуется напряжение
9
0
пр2
k2
пр6
С2
U(t)=υ*Cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤Т,
0
где υ - порог ограничения,
которое представляет собой сложный сигнал с фазовой манипуляцией на второй промежуточной частоте, используется в качестве опорного напряжения и поступает на второй (опорный) вход синхронного детектора 34. В результате синхронного детектора 34 образуется низкочастотное напряжение
н3
н3
2
C2
U(t)=υ[1+m(t)], 0≤t≤T,
н3
Σ2
0
где υ=1/2*υ*υ,
2
пропорциональное модулирующей функции m(t). Это напряжение с первого I выхода приемопередатчика 9 поступает в блок регистрации и анализа.
9
г1
Напряжение U(t) с выхода амплитудного ограничителя 33 поступает на первый вход перемножителя 35, на второй вход которого подается напряжение U(t) гетеродина 23. На выходе перемножителя 35 образуется напряжение
10
10
г2
k2
г2
С2
U(t)=υ*Cos[ωt-φ(t)+φ], 0≤t≤Т,
10
0
г1
где υ=1/2*υ*υ,
г2
которое выделяется полосовым фильтром 36 и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 37. На второй (опорный) вход последнего подается напряжение U(t) гетеродина 30. На выходе фазового детектора 37 образуется низкочастотное напряжение
н4
н4
k2
C2
U(t)=υ*Cosφ(t), 0≤t≤T,
н4
10
г2
где υ=1/2*υ*υ,
2
пропорциональное модулирующему коду M(t). Это напряжение с второго II выхода приемопередатчика 9 поступает в блок регистрации и анализа.
г1
г2
При этом частоты ω и ω гетеродинов 23 (48) и 30 (41) разнесены на вторую промежуточную частоту
г2
г1
пр2
ω-ω=ω.
Каждый стационарный и мобильный контрольный пост излучает сложные сигналы с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией (ФМн-AM) на частоте
1
пр1
2
ω=ω=ω,
а принимает на частоте
2
пр
г1
ω=ω=ω.
2
1
Центральный контрольный пункт (диспетчерский центр), наоборот, излучает сложные сигналы с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией (ФМн-AM) на частоте ω, а принимает - на частоте ω.
1
2
Указанная система обеспечивает повышение помехоустойчивости и достоверности обмена конфиденциальной информацией между контрольными постами и диспетчерским центром. Это достигается использованием двух частот ω, ω и сложных сигналов с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией (ФМн-AM). При этом защита конфиденциальной информации имеет три уровня: криптографический, энергетический и структурный.
Криптографический уровень обеспечивается специальными методами шифрования, кодирования и преобразования конфиденциальной информации, в результате которых ее содержание становится недоступным без предъявления ключа криптограммы и обратного преобразования.
Энергетический и структурный уровни обеспечиваются применением сложных сигналов с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией (ФМн-AM), которые обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.
Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени или по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого используемый сложный сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного сигнала отнюдь не мала, она просто равномерно распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.
Структурная скрытность сложных ФМн-АМ-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн-АМ-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.
Сложные ФМн-АМ-сигналы открывают новые возможности в технике передачи конфиденциальных сообщений и их защиты от несанкционированного доступа. Указанные сигналы позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность выделять сложные ФМн-АМ-сигналы среди других сигналов и помех, действующих в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени. Данная возможность реализуется сверткой спектра сложных ФМн-АМ-сигналов.
1
2
Описанная выше работа системы соответствует случаю приема полезных сложных сигналов с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией (ФМн-AM) по основным каналам на частотах ω и ω.
з1
Если ложный сигнал (помеха) принимается по первому зеркальному каналу на частоте ω (фиг.6)
з1
з1
з1
з1
з1
U(t)=υ*Cos(ωt+φ), 0≤t≤T,
то усилителями 50 и 67 второй промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:
пр9
пр9
пр2
пр9
U(t)=υ*Cos(ωt+φ),
пр10
пр9
пр2
пр9
з1
U(t)=υ*Cos(ωt+φ+90°), 0≤t≤Т,
пр9
з1
г1
где υ=1/2*υ*υ;
пр2
г1
з1
ω=ω-ω - вторая промежуточная частота;
пр9
г1
з1
φ=φ-φ.
пр10
Напряжение U(t) с выхода усилителя 67 второй промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 68 на 90°, на выходе которого образуется напряжение
пр11
пр9
пр2
пр9
U(t)=υ*Cos(ωt+φ+90°+90°)=
пр9
пр2
пр9
з1
=υ*Cos(ωt+φ), 0≤t≤T.
пр9
пр11
Напряжения U(t) и U(t), поступающие на два входа сумматора 69, на его выходе компенсируются.
з1
Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому зеркальному каналу на частоте ω, подавляются с помощью «внешнего кольца», состоящего из гетеродина 48, смесителей 49 и 66, усилителей 50 и 67 второй промежуточной частоты, фазовращателей 65 и 68 на 90°, сумматора 69 и реализующего фазокомпенсационный метод.
k1
По аналогичной причине подавляется и ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому комбинационному каналу на частоте ω (фиг.6).
k2
Если ложный сигнал (помеха) принимается по второму комбинационному каналу на частоте ω
k2
k2
k2
k2
k2
U(t)=υ*Cos(ωt+φ), 0≤t≤T,
то усилителями 50 и 67 второй промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:
пр12
пр12
пр2
пр12
U(t)=υ*Cos(ωt+φ),
пр13
пр12
пр2
пр12
k2
U(t)=υ*Cos(ωt+φ-90°), 0≤t≤Т,
пр12
k2
г1
где υ=1/2*υ*υ;
пр2
k2
г1
ω=ω-2ω - вторая промежуточная частота;
пр12
k2
г1
φ=φ-φ.
пр13
Напряжение U(t) с выхода усилителя 67 второй промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 68 на 90°, на выходе которого образуется напряжение
пр14
пр12
пр2
пр12
U(t)=υ*Cos(ωt+φ-90°+90°)=
пр12
пр2
пр12
k2
=υ*Cos(ωt+φ), 0≤t≤T.
пр12
пр14
Напряжения U(t) и U(t) поступают на два входа сумматора 69, на выходе которого образуется суммарное напряжение
Σ3
Σ3
пр2
пр12
k2
U(t)=υ*Cos(ωt+φ), 0≤t≤T,
Σ3
пр12
где υ=2υ,
k2
которое подается на второй вход перемножителя 70. На первый вход последнего поступает принимаемый ложный сигнал (помеха) U(t) с выхода усилителя 47 мощности. На выходе перемножителя 70 образуется напряжение
11
11
г1
г1
k2
U(t)=υ*Cos(2ωt+φ), 0≤t≤T,
11
k2
Σ3
где υ=1/2*υ*υ,
которое не попадает в полосу пропускания узкополосного 71, ключ 73 не открывается.
k2
Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму комбинационному каналу на частоте υ, подавляется с помощью «внутреннего кольца», состоящего из перемножителя 70, узкополосного фильтра 71, амплитудного детектора 72, ключа 73 и реализующего метод узкополосной фильтрации.
з2
Если ложный сигнал (помеха) принимается по второму зеркальному каналу на частоте υ (фиг.6)
з2
з2
з2
з2
з2
U(t)=υ*Cos(ωt+φ), 0≤t≤Т,
то усилителями 32 и 58 второй промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:
пр15
пр15
пр2
пр15
U(t)=υ*Cos(ωt+φ),
пр16
пр15
пр2
пр15
з2
U(t)=υ*Cos(ωt+φ+90°), 0≤t≤Т,
пр15
з2
г2
где υ=1/2*υ*υ;
пр2
з2
г2
ω=ω-ω - вторая промежуточная частота;
пр15
з2
г2
φ=φ-φ.
пр16
Напряжение U(t) с выхода усилителя 58 второй промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 59 на 90°, на выходе которого образуется напряжение
пр17
пр15
пр2
пр15
U(t)=υ*Cos(ωt+φ+90°+90°)=
пр15
пр2
пр15
з2
=-υ*Cos(ωt+φ), 0≤t≤T.
пр15
пр17
Напряжения U(t) и U(t), поступающие на два входа сумматора 60, на его выходе компенсируются.
з2
Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму зеркальному каналу на частоте ω, подавляется с помощью «внешнего кольца», состоящего из гетеродина 30, смесителей 31 и 57, фазовращателя 56 на -90°, фазовращателя 59 на +90°, усилителей 32 и 58 второй промежуточной частоты, сумматора 60 и реализующего фазокомпенсационный метод.
k4
По аналогичной причине подавляется и ложный сигнал (помеха), принимаемый по четвертому комбинационному каналу на частоте ω (фиг.6).
k3
Если ложный сигнал (помеха) принимается по третьему комбинационному каналу на частоте ω
k3
k3
k3
k3
k3
U(t)=υ*Cos(ωt+φ), 0≤t≤T,
то усилителями 32 и 58 второй промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:
пр18
пр18
пр2
пр18
U(t)=υ*Cos(ωt+φ),
пр19
пр18
пр2
пр18
k3
U(t)=υ*Cos(ωt+φ-90°), 0≤t≤T,
пр18
k3
г2
где υ=1/2*υ*υ;
пр2
г2
k3
ω=2ω-ω - вторая промежуточная частота;
пр18
г2
k3
φ=φ-φ.
пр19
Напряжение U(t) с выхода усилителя 58 второй промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 59 на +90°, на выходе которого образуется напряжение
пр20
пр18
пр2
пр18
U(t)=υ*Cos(ωt+φ-90°+90°)=
прl8
пр2
пр18
k3
=υ*Cos(ωt+φ), 0≤t≤T.
пр18
пр20
Напряжения U(t) и U(t) поступают на два входа сумматора 60, на выходе которого образуется суммарное напряжение
Σ4
Σ4
пр2
пр18
k3
U(t)=υ*Cos(ωt+φ), 0≤t≤T,
Σ4
пр18
где υ=2υ,
k3
которое подается на второй вход перемножителя 61. На первый вход последнего поступает принимаемый ложный сигнал (помеха) U(t) с выхода усилителя 29 мощности. На выходе перемножителя 61 образуется напряжение
12
12
г2
г2
k3
U(t)=υ*Cos(2ωt+φ), 0≤t≤T,
12
k3
Σ4
где υ=1/2*υ*υ,
которое не попадает в полосу пропускания узкополосного фильтра 62, ключ 64 не открывается.
k3
Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по третьему комбинационному каналу на частоте ω, подавляется с помощью «внутреннего кольца», состоящего из перемножителя 61, узкополосного фильтра 62, амплитудного детектора 63, ключа 64 и реализующего метод узкополосной фильтрации.
Таким образом, предлагаемая система по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение избирательности и помехоустойчивости приемников, размещенных на контрольных постах и диспетчерском пункте. Это достигается подавлением ложных сигналов (помех), принимаемых по первому и второму зеркальным каналам, по первому, второму, третьему и четвертому комбинационным каналам.