МОДЕМ СИГНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ВРЕМЕНИ ПО ДУПЛЕКСНОМУ КАНАЛУ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ
TIME TRANSMISSION SIGNALS MODEM THROUGH THE SATELLITE COMMUNICATION DUPLEX CHANNEL

Предлагаемый модем относится к технике связи и может быть использован в радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ), в службе единого времени и частоты, для обмена информацией между наземными пунктами, разнесенные на большие расстояния, с использованием геостационарного ИСЗ-ретранслятора.
Известны модемы и устройства синхронизации часов и сличения шкал времени (авт. свид. СССР №№591799, 614416, 920300, 1120835, 1244637, 1278800, 1840365, 1840516; патенты РФ №№2001423, 2403157, 2040035, 2177167, 2292574, 2386159, 2426167, 2528405, 2535653; патенты США №№5666330, 7327699, 8145247; патент Германии №3278943; патент Великобритании №1526467; патент ЕР №0564220 и другие).
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Устройство синхронизации часов» (патент РФ №2001423, G04С 11/02, 1992), которое и выбрано в качестве базового объекта.
Указанное устройство обеспечивает сличение шкал времени, разнесенных на большие расстояния, и основано на использовании дуплексного метода связи через геостационарный ИСЗ-ретранслятор. Основное достоинство дуплексного метода связи состоит в том, что исключается длина трассы прохождения сигнала. Поэтому его точность в основном зависит от параметров ретранслятора, типа используемого сигнала и техники измерения временных интервалов.
пр1
2
з1
В приемнике известного модема, построенного по супергетеродинной схеме, одно и то же значение первой промежуточной частоты ω может быть получено в результате приема сигналов на двух частотах ω и ω, т.е.
пр1
г1
2
пр1
з1
г1
ω=ω-ω и ω=ω-ω.
2
з1
2
пр1
г1
Следовательно, если частоту настройки со принять за основной канал приема, то наряду с ним будет иметь место первый зеркальный канал прием, частота ω которого отличается от частоты ω на 2ω и расположена симметрично (зеркально) относительно частоты ω первого гетеродина 2 (фиг. 5).
пр
2
Преобразование по первому зеркальному каналу приема происходит с тем же коэффициентом преобразования К, что и по основному каналу приема на частоте ω. Поэтому он наиболее существенно влияет на избирательность и помехоустойчивость приемника.
Кроме зеркального существуют и другие дополнительные (комбинационные) каналы приема. В общем виде любой комбинационный канал приема имеет место при выполнении условия
кi
где ω - частота i-го комбинационного канала приема.
Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующиеся при взаимодействии первой гармоники частоты сигнала с гармониками частоты первого гетеродина малого порядка (второй, третий), так как чувствительность приемника по этим каналам близки к чувствительности основного канала приема. Так, двум комбинационным каналам при n=1 и n=2 соответствуют частоты:
к1
г1
пр1
к2
г1
пр1
ω=2ω-ω, ω=2ω+ω,
г1
где 2ω - вторая гармоника частоты первого гетеродина,
з1
к1
к2
Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по первому зеркальному каналу на частоте ω, по первому ω и второму ω комбинационным каналам, приводят к снижению помехоустойчивости и достоверности передачи времени по дуплексному каналу спутниковой связи.
Кроме того, положение геостационарного ИСЗ-ретранслятора на орбите не является постоянным, он периодически совершает определенные движения и контроль его положения на орбите также оказывает влияние на помехоустойчивость и достоверность передачи времени по дуплексному каналу спутниковой связи.
Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и достоверности передачи времени по дуплексному каналу спутниковой связи путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам, и автоматического измерения наклонной дальности до геостационарного ИСЗ-ретранслятора с целью контроля его положения на орбите.
г1
г2
г1
г2
пр1
1
г1
пр2
2
г2
пр2
пр2
пр3
2
1
Поставленная задача решается тем, что модем сигналов передачи времени по дуплексному каналу спутниковой связи, содержащий, в соответствии с ближайшим аналогом, геостационарный ИСЗ-ретранслятор, первый и второй наземные пункты, каждый из которых содержит последовательно включенных эталон времени и частоты, второй гетеродин, второй смеситель, второй вход которого через переключатель соединен с первым входом выходом генератора псевдошумового сигнала, усилитель второй промежуточной частоты, второй усилитель мощности, первый дуплексер, вход-выход которого связан с первой приемопередающей антенной, первый усилитель мощности, первый смеситель, второй вход которого через первый гетеродин соединен с первым выходом эталона времени и частоты, и усилитель первой промежуточной частоты, последовательно подключенные к второму выходу эталона времени и частоты генератор псевдошумового сигнала, второй клиппер, второй вход которого соединен с третьим выходом эталона времени и частоты, второй блок памяти и первый коррелятор, выход которого является сигнальным выходом модема, последовательно подсоединены к третьему выходу эталона времени и частоты первый клиппер и первый блок памяти, выход которого соединен с вторым входом первого коррелятора, при этом частоты ω и ω первого и второго гетеродинов разнесены на значение первой промежуточной частоты ω-ω=ω, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен селектором частоты, узкополосным фильтром, первым амплитудным детектором, пороговым блоком, первым ключом, перемножителем, блоком регулируемой задержки, фильтром нижних частот, экстремальным регулятором и индикатором дальности, причем к выходу первого усилителя мощности последовательно подключены селектор частоты, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, узкополосный фильтр, первый амплитудный детектор, пороговый блок и первый ключ, второй вход которого соединен с выходом усилителя первой промежуточной частоты, а выход подключен к второму входу первого клиппера, к выходу первого блока последовательно подключены перемножитель, второй вход которого через последовательно включенные переключатель и блок регулируемой задержки соединен с первым выходом генератора псевдошумового сигнала, фильтр нижних частот и экстремальный регулятор, выход которого соединен с вторым входом блока регулируемой задержки, к второму выходу которого подключен индикатор дальности, геостационарный ИСЗ-ретранслятор выполнен в виде последовательно включенных четвертого усилителя мощности, второго дуплексера, вход-выход которого связан с второй приемопередающей антенной, третьего усилителя мощности, третьего смесителя, второй вход которого соединен с выходом третьего гетеродина, усилителя суммарной частоты, второго амплитудного детектора и второго ключа, второй вход которого через усилитель третьей промежуточной частоты соединен с выходом третьего смесителя, а выход подключен к входу четвертого усилителя мощности, модем излучает псевдошумовые сигналы на частоте ω=ω=ω, а принимаемый - частоте ω=ω=ω, где ω и ω - вторая и третья промежуточные частоты, соответственно, а геостационарный ИСЗ-ретранслятор, наоборот, излучает псевдошумовые сигналы на частоте ω, а принимает - на частоте ω.
Структурная схема модема представлена на фиг. 1. Структурная схема геостационарного ИСЗ-ретранслятора представлена на фиг. 2. Геометрическая схема расположения геостационарного ИСЗ-ретранслятора S и двух наземных пунктов А и В показана на фиг. 3. Временная диаграмма дуплексного метода сличения часов изображена на фиг. 4. Частотная диаграмма, поясняющая процесс преобразования сигналов, показана на фиг. 5.
Модем сигналов передачи времени по дуплексному каналу спутниковой связи содержит геостационарный ИСЗ-ретранслятор 30, первый А и второй В наземные пункты, каждый из которых содержит последовательно включенные эталон 1 времени и частоты, второй гетеродин 3, второй смеситель 14, второй вход которого через переключатель 13 соединен с первым выходом генератора 12 псевдошумового сигнала, усилитель 15 второй промежуточной частоты, второй усилитель 16 мощности, первый дуплексер 5, вход-выход которого связан с первой приемопередающей антенной 4, первый усилитель 6 мощности, первый смеситель 7, второй вход которого через первый гетеродин 2 соединен с первым входом эталона 1 времени и частоты, усилитель 8 первой промежуточной частоты, первый ключ 23, первый клипер 9, второй вход которого соединен с третьим выходом эталона 1 времени и частоты, первый блок 10 памяти и первый коррелятор 11, выход которого является сигнальным выходом модема. К второму выходу генератора 12 псевдошумового сигнала последовательно подключены второй клипер 17, второй вход которого соединен с третьим выходом эталона 1 времени и частоты, и второй блок 18 памяти, выход которого соединен с вторым входом первого коррелятора 11. К выходу первого усилителя 6 мощности последовательно подключены селектор 19 частоты, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 3, узкополосный фильтр 20, первый амплитудный детектор21 и пороговый блок 22, выход которого соединен с вторым входом первого ключа 23. К выходу ключа 23 последовательно подключены перемножитель 26, второй вход которого через последовательно подключенные перемножитель 13 и блок 25 регулируемой задержки соединен с первым выходом генератора 12 псевдошумового сигнала,, фильтр 27 нижних частот и экстремальный регулятор 28, выход которого соединен с вторым входом блока 26 регулируемой задержки, к второму выходу которого подключен индикатор 29 дальности.
Блок 25 регулируемой задержки, перемножитель 26, фильтр 27 нижних частот и экстремальный регулятор 28 образуют второй коррелятор 24.
Геостационарный ИС3-ретранслятор 30 содержит последовательно включенные четвертый усилитель 40 мощности, второй дуплексер 32, вход-выход которого связан со второй приемопередающей антенной 31, третий усилитель 33 мощности, третий смеситель 35, второй вход которого соединен с выходом третьего гетеродина 34, усилитель 37 суммарной частоты, второй амплитудный детектор 38 и второй ключ 39, второй вход которого через усилитель 36 третьей промежуточной частоты соединен с выходом третьего смесителя 35, а выход подключен к входу четвертого усилителя 40 мощности.
Модем сигналов передачи времени по дуплексному каналу спутниковой связи работает следующим образом.
На пункт А с помощью генератора 12 формируется на первом шаге единичных измерений псевдошумовой СВЧ сигнал αi
c
c
c
k
c
с
u(t)=Ucos[ωt+ϕ(t)+λϕ], 0≤t≤Т,
c
с
с
с
где U, ω, ϕ, Т - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность псевдошумового сигнала:
k
k
э
э
э
ϕ(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с псевдослучайной последовательностью (ПСП), причем ϕ(t)=const при kτ<t<(k+1)τ и может изменяться скачком при t=kτ, т.е. на границах между элементарными посылками (k-1, …, N);
э
c
c
э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок из которых составлен псевдошумовой сигнал длительностью T(T=Nτ).
Этот сигнал с выхода генератора 12 псевдошумового сигнала через замкнутый переключатель 13 поступает на первый вход второго смесителя 14, на второй вход которого подается напряжение второго гетеродина 3, стабилизированного эталоном 1 времени и частоты
г2
г2
г2
г2
u(t)=U cos(ωe+ϕ).
На выходе второго смесителя 14 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 15 выделяется напряжение второй промежуточной (суммарной) частоты
пр2
пр2
пр2
k
пр2
с
u(t)=U cos[ω t+ϕ(t)+ϕ(t), 0≤t≤т,
где ;
пр2
с
г2
ω=ω+ω - вторая промежуточная (суммарная) частота;
пр2
с
г2
ϕ=ϕ-ϕ,
1
пр2
которое усиливается в усилителе 16 мощности и через дуплексер 5 поступает в приемопередающую антенну 4 и излучается в направлении геостационарного ИСЗ-ретранслятора на частоте ω=ω.
Вместе с тем, этот же сигнал клиппируется во втором клиппере 17 и записывается в буферный блок 18 памяти. Работа клиппера 17 синхронизируется эталоном 1 времени и частоты.
пр2
Принятый антенной 31 псевдошумовой сигнал u(t) через дуплексер 32 и усилитель 33 мощности поступает на первый вход третьего смесителя 35, на второй вход которого подается напряжение третьего гетеродина 34
г3
г3
г3
г3
u(t)=Ucos[ωt+ϕ].
На выходе третьего смесителя 35 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 36 и 37 выделяются напряжения третьей промежуточной и суммарной соответственно частоты
пр3
пр3
пр3
k
пр3
u(t)=Ucos[ωt+ϕ(t)+ϕ],
Σ
пр3
Σ
k
Σ
c
u(t)=Ucos[ωt+ϕ(t)+ϕ], 0≤t≤T,
где ;
пр3
1
3
ω=ω-ω - третья промежуточная частота;
Σ
1
г3
ω=ω+ω - суммарная частота;
пр3
пр3
г3
Σ
пр2
г3
ϕ=ϕ-ф; ϕ=ϕ+ϕ;
н1
н1
Σ
пр2
Г3
Σ
пр3
2
пр3
Частота настройки ω усилителя 37 суммарной частоты выбраны равной суммарной частоте ω=ω=ω=ω. Напряжение суммарной частоты u(t) с выхода усилителя 37 суммарной частоты поступает на вход второго амплитудного детектора 38, где выделяется его огибающая. Продетектированное напряжение поступает на управляющий вход второго ключа 39, открывая его. В исходном состоянии ключ 39 всегда закрыт. При этом, напряжение u(t) третьей промежуточной частоты с выхода усилителя 36 через открытый ключ 39 поступает на вход усилителя 40 мощности, а затем через дуплексер 32 в приемопередающую антенну 31 и излучается ею обратно на наземный пункт А и В на частоте ω=ω с сохранением фазовых соотношений. Диаграмма направленности бортовой приемопередающей антенны 31 ИСЗ-ретранслятора 30 выбирается так, чтобы этот сигнал мог быть принят в обоих наземных пунктах А и В.
1
Принятый в наземном пункте А приемопередающей антенной 4 ретранслированный ИСЗ сигнал (сигнал α) через дуплексер 5 и усилитель 6 мощности поступает на первый вход первого смесителя 7 и селектора 19 частоты. На второй вход первого смесителя 7 подается напряжение первого гетеродина 2, стабилизированного эталоном 1 времени и частоты
г1
гl
г1
г1
u(t)=U cos(ωt+ϕ).
На выходе первого смесителя 7 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 8 выделяется напряжение первой промежуточной частоты
пр1
пр1
пр1
k
пр1
с
u(t)=U cos[ωt+ϕ(t)+], 0≤t≤Т,
где ;
пр1
г1
пр3
ω=ω-ω - первая промежуточная частота;
пр1
г1
пр3
ϕ=ϕ-ϕ.
г1
На второй вход селектора 19 частоты подается напряжение u(t) второго гетеродина 3
н2
г2
н2
г2
пор
2
г2
max
пор
max
пор
пор
В качестве селектора 19 частоты может использоваться колебательная система, частота настройки α которой выбирается равной частоте α второго гетеродина 3 (ω=ω). Выходное напряжение селектора 19 частоты выделяется узкополосным фильтром 20, детектируется амплитудным детектором 21 (U) и поступает на вход порогового блока 22, где сравнивается с пороговым напряжением U. При резонансе, который наступает при ω=ω, выходное напряжение селектора 19 частоты достигает максимального значения, выходное напряжение амплитудного детектора 21 достигает максимального значения U и превышает пороговый уровень U в пороговом блоке 22 (U>U). И только при превышении порогового уровня U (это случается только при наступлении явления резонанса) в пороговом блоке 22 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 23 и открывает его. В исходном состоянии ключ 23 всегда закрыт.
пр1
При этом напряжение u(t) с выхода усилителя 8 первой промежуточной частоты через открытый ключ 23 поступает на вход первого клиппера 9 и перемножителя 26. Работа клиппера 9 синхронизируется эталоном 1 времени и частоты.
c
3
На второй вход перемножителя 26 через замкнутый переключатель 13 и блок 25 регулируемой задержки подается псевдошумовой сигнал u(t) с первого выхода гетеродина 12. Полученные на выходе перемножителя 26 напряжения пропускаются через фильтр 27 нижних частот, на выходе которого формируется корреляционная функция R(τ), где τ - текущая временная задержка. Экстремальный регулятор 28, предназначенный для поддержания максимума корреляционной функции R(τ) и подключенный к выходу фильтра 27 нижних частот, воздействует на управляющий вход блока 25 регулируемой задержки и поддерживает вводимую им задержку τ, равной τ, что соответствует максимальному значению корреляционной функции R(τ).
Шкала блока 25 регулируемой задержки связана с индикатором 29 дальности, который позволяет непосредственно считывать измеряемое значение наклонной дальности до геостационарного ИСЗ-ретранслятора.
где с - скорость распространения электромагнитных волн.
3
2
1.
2
4
4
4
4
1
2
3
4
1
2
3
4
В
B
A
B
Аналогичные операции осуществляются на пункте В. На втором шаге измерений (при передаче сигнала из пункта В), спустя какое-то время Θ после окончания регистрации сигнала, переключатель 13 на пункте А размыкается, а на В замыкается. В момент времени t=t+Θ в генератор 12 начинает формировать новый СВЧ-сигнал (сигнал β), который после соответствующего преобразования фиксируется на пункте В и излучается в направлении геостационарного ИСЗ-ретранслятора на частоте ωПринимаемый бортовым приемником ИСЗ-ретранслятора сигнал переизлучается обратно на пункты А и В на частоте ω с сохранением фазовых соотношений во всей полосе частот сигнала. Ретранслированный сигнал принимается в обоих пунктах, преобразуется в напряжения низкой частоты и ретранслируется в моменты времени t и t соответственно (сигналы α и β). На этом заканчивается единичное измерение дуплексного метода. Затем в перерыве между актами измерений пары сигналов α, α и α, α (β, β и β, β) подвергаются корреляционной обработке в корреляторе 11. Корреляционной обработке двух пар зарегистрированных сигналов в перерыве между двумя измерениями в корреляторе определяют следующие временные задержки.
i
и соответствующие им частоты интерференции F(i=1, 2, 3, 4), которые определяют производные этих задержек:
где ;
j
l
a,b (j=1, 2, 3) - время распространения сигнала между ИСЗ и пунктами А и В соответственно (фиг. 1);
,  - задержки сигналов в излучающей аппаратуре обоих пунктов;
,  - задержки сигналов в приеморегистрирующей аппаратуре;
Δs - задержка сигналов в бортовом ретрансляторе ИСЗ;
B
А
Δt=t-t - искомая разность показаний часов в один и том же физический момент;
j
j
Полагая a и b линейными функциями с производными , , получаем:
где
где
1
2
- задержки сигнала в атмосфере на частотах ω и ω соответственно;
ν - релятивистская поправка (эффект Саньяка);
ω - угловая скорость вращения Земли;
с - скорость света;
D - площадь четырехугольника OA'S'B', образуемого в экваториальной плоскости центром масс Земли, проекциями пунктов А, В и ИСЗ-ретранслятора S.
Поправки у на подвижность ИСЗ-ретранслятора во время единичного измерения проще всего свести к нулю соответствующим выбором свободного параметра Θ:
который следует в начале измерений рассчитывать по приближенным эфемеридным данным, а затем уточнить по результатам текущих измерений.
Что касается поправки δ на аппаратурные задержки, то ее можно найти путем калибровки по методу «нулевой базы».
Атмосферная поправка ε также учитывается.
В пунктах А и В аппаратура работает одинаково, только порядок шагов в них обратный. Для вычисления разности показания часов Δt достаточно обменяться между пунктами полученными цифровыми данными, что можно делать по каналам служебной связи через тот же геостационарный ИСЗ-ретранслятор, как это было показано выше, или телеграфным каналам связи.
1
2
Описанная выше работа модема соответствует случаю приема псевдошумовых сигналов по основным каналам на частотах ω и ω.
Если ложный сигнал (помеха)
зl
з1
з1
з1
з1
u(t)=U cos(ωt+ϕ), 0≤t≤Т,
поступает на вход приемопередающей антенны 4, то он через дуплексер 5 и усилитель 6 мощности поступает на первые входы смесителя 7 и селектора 19 частоты. Усилителем 8 выделяется напряжение первой промежуточной частоты
пр4
пр4
пр1
пр4
з1
u(t)=Ucos(ωt+ϕ), 0≤t≤Т,
где ;
пр1
з1
г1
ω=ω-ω - первая промежуточная частота;
пр1
з1
г1
ϕ=ϕ-ϕ.
н2
г2
н2
г2
Частота настройки ω селектора 19 частоты выбирается равной частоте ω второго гетеродина 3 (ω=ω).
г2
з1
з1
г2
пр1
пор
пор
з1
н2
г2
Частоты ω и ω разнесены на удвоенное значение первой промежуточной частоты ω-ω=2ω. Поэтому в селекторе 19 частоты является резонанса не поступает, выходное напряжение U амплитудного детектора 21 не превышает порогового уровня U в пороговом блоке 22 (U<U). Ключ 23 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемой по первому зеркальному каналу на частоте ω, подавляется. Для этого используются резонансные свойства селектора 19 частоты, выполненного в виде колебательного контура с частотой настойкой ω=ω.
к1
к2
По аналогичной причине подавляются и ложные сигналы (помехи), принимаемые по другим дополнительными (первому ω второму ω) комбинационным каналам.
Если ложный сигнал (помеха)
з2
з2
з2
з2
з2
u(t)=U cos(ωt+ϕ), 0≤t≤T,
з2
на частоте ω и любой другой ложный сигнал (помеха) поступает на выходы приемопередающей антенны 31 через дуплексор 32 и усилитель 33 мощности на первый вход третьего смесителя 35, на второй вход которого подается напряжение третьего гетеродина 34
г3
г3
г3
г3
u(t)=Ucos(ϕt+ϕ).
На выходе смесителя 35 в этом случае образуются напряжения, которые не попадают в полосы пропускания усилителей 36 и 37 третьей промежуточной и суммарной частоты.
з2
Ключ 39 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму зеркальному каналу на частоте ω, подавляется.
По аналогичной причине подавляются и ложные сигналы (помехи), принимаемые по другим дополнительным комбинационным каналам.
Таким образом, предлагаемый модем по сравнению с базовым объектом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение помехоустойчивости и достоверности передачи времени по дуплексному каналу спутниковой связи. Это достигается путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам, и за счет автоматического измерения наклонной дальности геостационарного ИСЗ-ретранслятора с целью контроля его положения на орбите.
Причем для подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам, используются метод, основанный на использовании резонансных свойств колебательных систем, и метод суммарной частоты.
Следует отметить, что явление резонанса является основополагающим принципом, работы многих систем и устройств радиоэлектроники, в том числе и предлагаемого модема.
При преобразовании сигналов по частоте с помощью смесителя, работающего на линейном участке вольт-амперной характеристике, образуются напряжения разностной (промежуточной) и суммарной частоты. Как правило, используют только напряжение разностной (промежуточной) частоты. В предлагаемом техническом решении используется и напряжение суммарной частоты для подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам.
Для автоматического измерения дальности догеостационарного ИСЗ-ретранслятора используется коррелятор, обеспечивающий точное измерение и автоматическое сопровождение геостационарного ИСЗ-ретранслятора при его перемещении поорбите. При этом используется корреляционная функция псевдошумовых сигналов, которая обладает замечательным свойством - она имеет один значительный главный лепесток и сравнительно низкий уровень боковых лепестков.
\Все блоки предлагаемого технического решения являются классическими, их техническая реализация не представляет технических затруднений.
Для проверки эффективности предлагаемого модема были разработаны макеты устройств системы передачи данных и модема для дуплексных сличений шкал времени по спутниковому каналу, проведены экспериментальные исследования и получены характеристики созданной аппаратуры. В частности, показана экспериментальная возможность сличения шкал времени через отечественный геостационарный ИСЗ «Ямал-200» с погрешностью меньше 10 нс.