СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ С ДВУКРАТНЫМ РАЗНЕСЕНИЕМ

Система передачи сигналов с двукратным разнесением - это устройство, которое относится к технике радиосвязи и может быть использовано при передаче сигналов по каналам с пространственным разнесением.
При прохождении трасс передачи в различных системах (например, тропосферных, мобильных и др.) разнесенные сигналы за счет воздействия замираний значительно меняются по уровню и приобретают различный относительный фазовый сдвиг в разных приемных антеннах. С помощью соответствующего комбинирования принятых сигналов можно ослабить воздействие замираний и улучшить помехоустойчивость. Кроме того, большинство систем передачи представляют собой двухсторонние линии, т.е. информация по ним передается в обе стороны. Это дает возможность по обратному каналу на передатчик транслировать информацию о характеристиках принятых сигналов на основе оценки их особенностей в определенной степени управлять передачей с целью улучшения характеристик системы в целом.
Известны различные устройства приема разнесенных сигналов, где обработка осуществляется с учетом особенностей сигналов, например, по авторскому свидетельству (СССР) №788403 МКИ Н04В 7/165 (Н04В 7/22) на «Устройство комбинирования разнесенных сигналов» авторов Полушина П.А., Самойлова А.Г., Тараканкова С.П. или по статье: Серова В.В. «Система связи с адаптацией ветвей разнесения сигналов на передаче», электросвязь, №7, 2008, с.26-29. В этих источниках описаны устройства, где разнесенные сигналы от различных пространственно-разнесенных антенн после приема складываются после предварительной подстройки их взаимного фазового сдвига. Информация о текущем состоянии каналов передачи от каждой из передающих пространственно-разнесенных антенн до каждой из приемных пространственно-разнесенных антенн передается по каналу передачи и, идущему в обратную сторону, в качестве служебной. После ее анализа вся мощность передатчиков подключается к одной из передающих антенн. Выбирается та антенна, от которой суммарный коэффициент передачи до всех приемных разнесенных антенн после соответствующего комбинирования принятых разнесенных сигналов будет иметь наибольший уровень.
Указанные устройства обеспечивают недостаточную помехоустойчивость, так как не полностью используют возможности управления сигналами передатчиков, а также не обеспечивают оптимального объединения принятых сигналов с учетом их уровней.
Ближайшим по технической сущности прототипом к заявляемому техническому решению является устройство, описанное в кн.: В.В.Крухмалев и др. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей. - М.: Горячая линия-Телеком, 2004, с.382-385..
Устройство предназначено для приема пространственно-разнесенных сигналов в условиях воздействия замираний. Оно содержит смесители, генератор, фазовый детектор, блок подстройки фазы, регулируемые усилители, блок регулировки усиления и сумматор. Перед комбинированием два принятых разнесенных сигнала предварительно фазируются, то есть перед сложением случайный взаимный набег фазы между каналами убирается и оба сигнала складываются синфазными. Для этого в одном из смесителей принятый разнесенный сигнал смешивается непосредственно с сигналом генератора, в другом смесителе - с сигналом того же генератора после перестройки его фазы. Добавленный таким образом фазовый сдвиг к фазе второго разнесенного сигнала имеет величину, обратную по знаку относительному фазовому сдвигу разнесенных сигналов в приемных антеннах, и вычитается из него. Сфазированные таким образом сигналы складываются в сумматоре. Результат подстройки фазы измеряется фазовым детектором, который перестраивает управляемый фазовращатель до тех пор, пока фазы сравниваемых сигналов не выровняются. С помощью регулируемых усилителей и блока регулировки усиления обеспечиваются требуемые весовые коэффициенты при сложении сигналов. Недостатком устройства является отсутствие использования информации о состоянии каналов передачи сигналов, что обусловливает недостаточную помехоустойчивость и надежность передачи сигналов.
Задачей данной полезной модели является повышение помехоустойчивости и надежности передачи цифровой информации по разнесенным каналам.
Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее первый и второй смесители, первый блок подстройки фазы, первый генератор, первый фазовый детектор, первый и второй регулируемые усилители, первый блок регулировки усиления и первый сумматор, введены передатчик, первый и второй приемники, первый, второй и третий коммутаторы, первый и второй фазовращатели, второй и третий генераторы, второй, третий и четвертый блоки подстройки фазы, второй, третий, четвертый и пятый сумматоры, третий и четвертый смесители, второй и третий фазовые детекторы, первый, второй и третий режекторные фильтры, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой полосовые фильтры, третий, четвертый, пятый и шестой регулируемые усилители, второй и третий блоки регулировки усиления, первый, второй, третий, четвертый и пятый амплитудные детекторы, первый и второй блоки сравнения, тактовый генератор, блок введения служебных сигналов и блок отделения служебных сигналов, причем одна антенна соединена с выходом первого сумматора и через первый приемник - со входом первого смесителя, другая антенна соединена с выходом первого блока подстройки фазы и через второй приемник - со входами второго, третьего и четвертого смесителей, выход блока введения служебных символов через передатчик подключен к сигнальному входу первого коммутатора, а его выходы - ко входам первого и второго сумматоров, выход второго сумматора соединен со входом первого блока подстройки фаз, выход первого генератора подключен к другому входу первого сумматора, к одному из входов третьего коммутатора и через первый фазовращатель - ко второму входу третьего коммутатора, а его выход - к другому входу второго сумматора, выход второго генератора подключен к одному из входов второго коммутатора и через второй фазовращатель - к третьему входу второго сумматора и к другому входу второго коммутатора, а его выход - к третьему входу первого сумматора, выход третьего генератора соединен с другим входом первого смесителя и со входами второго, третьего и четвертого блоков подстройки фазы, выход первого смесителя подключен ко входу первого регулируемого усилителя, через первый полосовой фильтр подключен ко входам второго фазового детектора и третьего регулируемого усилителя, через третий полосовой фильтр - ко входам третьего фазового детектора и пятого регулируемого усилителя и через первый режекторный фильтр - ко входу первого фазового детектора, выход второго смесителя соединен со входом второго регулируемого усилителя и через второй режекторный фильтр - с другим входом первого фазового детектора, а его выход - с другим входом второго блока подстройки фазы, выход третьего смесителя через второй полосовой фильтр соединен со входом четвертого регулируемого усилителя и с другим входом второго фазового детектора, а его выход - с другим входом третьего блока подстройки фазы, выход четвертого смесителя через четвертый полосовой фильтр соединен со входом шестого регулируемого усилителя и с другим входом третьего фазового детектора, а его выход - с другим входом четвертого блока подстройки фазы, другие входы первого и второго регулируемых усилителей соединены с выходами первого блока регулировки усиления, а их выходы - со входами первого блока регулировки усиления и со входами третьего сумматора, другие входы третьего и четвертого регулируемых усилителей соединены с выходами второго блока регулировки усиления, а их выходы - со входами второго блока регулировки усиления и со входами четвертого сумматора, другие входы пятого и шестого регулируемых усилителей соединены с выходами третьего блока регулировки усиления, а их выходы - со входами третьего блока регулировки усиления и со входами пятого сумматора, выход третьего сумматора подключен ко входу третьего режекторного фильтра, а также через последовательно соединенные пятый полосовой фильтр и третий амплитудный детектор подключен к одному из входов второго блока сравнения и через последовательно соединенные шестой полосовой фильтр и четвертый амплитудный детектор - к другому входу второго блока сравнения, а его выход - к одному из входов блока введения служебных сигналов, выход третьего режекторного фильтра соединен со входом блока отделения служебных сигналов и через пятый амплитудный детектор - с одним из входов первого блока сравнения, выход тактового генератора соединен с другими входами первого и второго блоков сравнения, выходы четвертого и пятого сумматоров через, соответственно, первый и второй амплитудные детекторы соединены с третьим и четвертым входами первого блока сравнения, а его выход - с другим входом блока введения служебных сигналов, выходы второго, третьего и четвертого блоков подстройки фазы соединены с другими входами, соответственно, второго, третьего и четвертого смесителей, первый выход блока отделения служебных сигналов подключен к другому входу первого коммутатора, второй выход - к другим входам второго и третьего коммутаторов, а его третий выход - к другому входу первого блока подстройки фазы, третий вход блока введения служебных сигналов соединен со входом системы, а выход третьего режекторного фильтра - с выходом системы.
На чертежах представлены: на фиг.1 - передающая часть системы передачи сигналов с двукратным разнесением и приемники. На фиг.2 - приемная часть системы передачи сигналов с двукратным разнесением. На фиг.3 - эпюры, поясняющие расположение полосы спектра информационного сигнала и частот-маркеров на частотной оси. На фиг.4 и фиг.5 - эпюры, поясняющие процесс подстройки взаимного фазового сдвига сигналов на разных передающих антеннах при фазовом управлении передатчиком.
На фиг.1 обозначены: передатчик 1; первый 2 и второй 3 приемники; первый 4, второй 5 и третий 6 коммутаторы; первый 7 и второй 8 фазовращатели; первый 9 и второй 10 генераторы; первый блок подстройки фазы 11; первый 12 и второй 13 сумматоры.
На фиг.2 обозначены: третий генератор 14; второй 15, третий 16 и четвертый 17 блоки подстройки фазы; третий 18, четвертый 19 и пятый 20 сумматоры; первый 21, второй 22, третий 23 и четвертый 24 смесители; первый 25, второй 26 и третий 27 фазовращатели; первый 28, второй 29 и третий 30 режекторные фильтры; первый 31, второй 32, третий 33, четвертый 34, пятый 35 и шестой 36 полосовые фильтры, первый 37, второй 38, третий 39, четвертый 40, пятый 41 и шестой 42 регулируемые усилители; первый 43, второй 44 и третий 45 блоки регулировки усиления; первый 46, второй 47, третий 48, четвертый 49 и пятый 50 амплитудные детекторы; первый 51 и второй 52 блоки сравнения; тактовый генератор 53; блок введения служебных сигналов 54 и блок отделения служебных сигналов 55.
Блоки системы работают следующим образом. Обе станции (станции А и В), расположенные на противоположных концах линии передачи, имеют в своем составе одинаковые передающие и приемные части, структура которых приведена на фиг.1 и 2. части.
U
1
2
3
1
2
3
T
Блоки станции А работают следующим образом. На вход блока введения служебных символов 54 поступает сигнал S, который надо передать от станции А к станции В. Это основной сигнал, который переносит передаваемую информацию в данной системе передачи. В этом блоке к основному сигналу с использованием служебного канала добавляется три служебных сигнала U, U и U для передачи на станцию В совместно с основным информационным потоком. Сигналы U и U управляют переключением режимом коммутации каналов и фазовой подстройки передатчика станции В, сигнал U управляет фазовой перестройкой сигналов передатчика станции В. На выходе этого блока 54 вырабатывается общий сигнал S. Этот сигнал содержит и основную информацию, передаваемую от А к В, и служебную информацию, которая содержит сведения о канале от станции В к станции А, необходимые для управления передатчиком станции В.
T
1
1
2
Передающая часть станции А работает так: Работа передатчика на станции А управляется с помощью управляющих сигналов, полученных со стангции В. Управляющие сигналы несут информацию о свойствах канала «станция А - станция В» в соответствующем частотном диапазоне. Упомянутый сигнал S поступает на передатчик 1 станции А, где осуществляется его модуляция и перенос на несущую частоту. После этого он поступает на первый коммутатор 4, который управляется сигналом U, выработанным ранее на станции В и принятым от нее по служебному каналу. Этот управляющий сигнал был принят и выделен на данной станции А из общего принятого сигнала, пришедшего со станции В. В зависимости от этого управляющего сигнала первый коммутатор 4 либо направляет всю мощность передатчика на первый сумматор 12, либо на второй сумматор 13, либо делит ее поровну между обоими этими сумматорами. Первый генератор 9 и второй генератор 10 вырабатывают синусоидальные напряжения частот f и f, соответственно, которые служат маркерами. Амплитуды этих напряжений жестко связаны с уровнями излучаемых антеннами информационных сигналов известным и на передающей стороне, и на приемной стороне постоянным соотношением. Частоты расположены на частотной оси в непосредственной близости от спектра информационных сигналов.
Сигнал с первого генератора 9 поступает на первый сумматор 12 и на входы третьего коммутатора 6, на один его вход - непосредственно, а на второй его вход - через первый фазовращатель 7. При прохождении этого первого фазовращателя 7 амплитуда сигнала не меняется, а к фазе проходящего сигнала добавляется фазовый сдвиг, равный Δφ. Величина фазового сдвига выбирается большей, чем 0° и меньшей, чем 90°. Выходной сигнал третьего коммутатора 6 поступает на второй сумматор 13.
Сигнал со второго генератора 10 поступает на входы второго коммутатора 5, на один его вход - непосредственно, а на другой его вход - через второй фазовращатель 8. При прохождении этого фазовращателя амплитуда сигнала не меняется, а к фазе проходящего сигнала добавляется фазовый сдвиг, равный - Δφ. Таким образом, в обоих фазовращателях 7 и 8 к фазам проходящих сигналов добавляется фазовый сдвиг, одинаковый по величине, но противоположный по знакам.
Сигнал с выхода второго коммутатора 5 поступает на первый сумматор 12. Сигнал с выхода второго фазовращателя 8 подается на второй сумматор 13. В обоих сумматорах все поступившие на них сигналы суммируются.
2
2
Второй и третий коммутаторы 5 и 6 управляются сигналом U. Каждый из них может на свой выход подключать сигнал с одного из своих входов, либо не подключать никакой из своих входных сигналов. Варианты комбинаций состояний этих двух коммутаторов определяются значениями управляющего сигнала U, ранее выработанного на станции В и принятого от нее по служебному каналу.
3
Выходной сигнал первого сумматора 12 излучается одной из антенн. Выходной сигнал второго сумматора 13 проходит через первый блок подстройки фазы 11 и также излучается другой антенной. Перестройка фазы в первом блоке подстройки фазы производится на основе управляющего сигнала U, ранее выработанного на станции В и принятого от нее по служебному каналу.
1
2
3
К тем же антеннам подключены первый 2 и второй 3 приемники станции А. Они работают на другой несущей частоте, чем передатчики данной станции А, свойства канала «станция В - станция А» на этой частоте другие, чем свойства канала «станция А - станция», поэтому здесь вырабатывается другой набор управляющих напряжений U, U, U. Блоки приемной части станции А работают так:
Выходной сигнал первого приемника 2 поступает на первый смеситель 21. Выходной сигнал второго приемника 3 поступает на второй смеситель 22, на третий смеситель 23 и на четвертый смеситель 24. Во всех смесителях производится сдвиг спектров входных сигналов по частотной оси на постоянную величину частоты синусоидального сигнала, вырабатываемого третьим генератором 14. В первом смесителе 21 для этого используется непосредственно сигнал третьего генератора 14, во втором смесителе 22, третьем смесителе 23 и четвертом смесителе 24 для этого используются сигналы, полученные из сигнала третьего генератора 14 пропусканием его через, соответственно, второй блок подстройки фазы 15, третий блок подстройки фазы 16 и четвертый блок подстройки фазы 17.
Подстройка фазы здесь нужна, чтобы осуществить синфазное сложение сигналов, принятых разными разнесенными антеннами. При прохождении среды распространения сигналы разнесенных антенн идут различными путями и приобретают различный фазовый сдвиг. А при сложении разнесенных сигналов они должны быть синфазными, чтобы в результате сложения сигнал был максимальным, для чего и производится фазовая постройка.
Подстройка фазы в этих блоках производится на основе выходных сигналов, соответственно, первого фазового детектора 25, второго фазового детектора 26 и третьего фазового детектора 27. В фазовых детекторах производится сравнение фаз сигналов на обоих входах и, на основе результата сравнения, управление перестройкой в блоках подстройки фазы 15, 16 и 17. Управление производится так, чтобы фазы сигналов на обоих входах каждого фазового детектора стали одинаковы. Однако в разных группах блоков фазирование производится на основе сравнения в фазовых детекторах фаз различных сигналов. Фазы каких сигналов используются для фазирования, определяется фильтрами, стоящими перед фазовыми детекторами.
1
2
Частотные характеристики первого режекторного фильтра 28, второго режекторного фильтра 29 и третьего режекторного фильтра 30 одинаковые. Они не пропускают сигналы на частотах f и f на остальных частотах их коэффициент передачи близок к единице.
1
Частотные характеристики первого полосового фильтра 31, второго полосового фильтра 32 и пятого полосового фильтра 35 одинаковы. Они имеют близкий к единице коэффициент передачи на частоте f и не пропускают сигналы других частот.
2
Частотные характеристики третьего полосового фильтра 33, четвертого полосового фильтра 34 и шестого полосового фильтра 36 одинаковы. Они имеют близкий к единице коэффициент передачи на частоте f и не пропускают сигналы других частот.
Таким образом, в фазовом детекторе 25 фазирование производится сравнением фаз только информационной части принятого сигнала, значит, перед сложением и выравниваются только фазы информационных частей в обоих принятых разнесенных сигналах.
В фазовом детекторе 26 фазирование производится сравнением фаз только сигналов первого маркера в принятом сигнале, значит, перед сложением и выравниваются только фазы составляющих первого маркера в обоих принятых разнесенных сигналах.
В фазовом детекторе 27 фазирование производится сравнением фаз только сигналов второго маркера в принятом сигнале, значит, перед сложением и выравниваются только фазы составляющих второго маркера в обоих принятых разнесенных сигналах.
В первом регулируемом усилителе 37, втором регулируемом усилителе 38, третьем регулируемом усилителе 39, четвертом регулируемом усилителе 40, пятом регулируемом усилителе 41 и шестом регулируемом усилителе 42 производится регулировка усиления проходящих через них сигналов пропорционально их уровням для обеспечения близкого к оптимальному вида сложения разнесенных сигналов, принятых по обоим каналам. Сравнение уровней сигналов и управление коэффициентами усиления регулируемых усилителей осуществляется в первом блоке регулировки усиления 43, во втором блоке регулировки усиления 44 и в третьем блоке регулировки усиления 45.
3
В третьем сумматоре 18, четвертом сумматоре 19 и пятом сумматоре 20 складываются сигналы с соответствующих регулируемых усилителей. В первом 46, втором 47, третьем 48, четвертом 49 и пятом 50 амплитудных детекторах образуется выходной сигнал, пропорциональный амплитуде входного напряжения. Амплитудные детекторы 48 и 49 одинаковы. Во втором блоке сравнения 52 сравниваются уровни выходных сигналов третьего 48 и четвертого 49 амплитудных детекторов, и вырабатывается сигнал U, управляющий перестройкой первого блока подстройки фазы 11 станции В в режиме фазовой регулировки. Фазовая регулировка производится только в течение соответствующего такта подстройки. В течение следующего такта сравнения регулировка фазы не производится, значение фазы в первом блоке сравнения фазы не меняется. Такты подстройки и сравнения следуют поочередно и управляются в обоих блоках сравнения тактовым генератором 53.
Коэффициенты передачи амплитудных детекторов 46, 47 и 50 выбираются из следующих условий. Уровень излучаемых антеннами сигналов-маркеров жестко связан с уровнем излучаемого информационного сигнала. Если с какой-либо одной из двух антенн излучать одновременно и информационный сигнал, и сигналы обеих маркеров, то на любой из приемных антенн это жесткое соотношение между уровнями информационного сигнала и маркеров останется таким же. Исходя из этого жесткого соотношения коэффициенты передач амплитудных детекторов 46, 47 и 50 устанавливаются такими, чтобы при одновременном излучении всех сигналов с любой одной из антенн уровни выходных напряжений этих амплитудных детекторов были одинаковы.
2
3
1
2
3
В первом блоке сравнения 51 сравниваются по уровню выходные сигналы первого 46, второго 47 и пятого 50 амплитудных детекторов. Сравнение производится в течение соответствующего такта с целью выработки управляющих сигналов U и U для управления переключением режимов работы передатчика. Таким образом, в блоках сравнения 51 и 52 станции А вырабатываются управляющие сигналы U, U и U, которые будут управлять передатчиком станции В.
U
1
2
3
T
В блоке введения служебных сигналов 54 в передаваемый информационный поток S вводятся выработанные на этой станции А служебные сигналы, содержащие сигнал U для переключения режимов коммутации каналов и фазовой подстройки станции В, сигнал U управления вторым и третьим коммутаторами 5 и 6, сигнал для U управления работой первого блока подстройки фазы 11 в режиме фазовой перестройки в передающей части станции В. После их ввода формируется сигнал S.
T
1
2
3
В блоке отделения служебных сигналов 55 из принятого со станции В сигнала S отделятся сигналы U, U и U, служащие для управления передачей сигналов станции А. Аналогичные процессы происходят в блоках станции В.
Таким образом, станция А измеряет свойства принятого ей сигнала, определяет по ним свойства канала «станция В - станция А», и по каналу обратной связи передает нужные управляющие сигналы для управления передачей со станции В. Одновременно, станция В измеряет свойства принятого ей сигнала, определяет по ним свойства канала «станция А - станция В», и по каналу обратной связи передает нужные управляющие сигналы для управления передачей со станции А. Станции одновременно и непрерывно управляют передатчиками друг друга.
Принцип работы полезной модели заключается в следующем.
В системах передачи информации связь обычно осуществляется в обоих направлениях. Это дает возможность по каналу с обратным направлением передачи посылать на передающую сторону информацию о результатах приема, т.е. о состоянии канала передачи. Обе системы передачи, действующие во встречных направлениях, имеют одинаковую структуру и работают на одинаковых принципах. Для передачи и приема используются одни и те же разнесенные антенны. Передача в противоположных направлениях производится в разных частотных диапазонах.
Предлагаемая система передачи работает с использованием двукратного пространственного разнесения. При этом передача осуществляется с обеих передающих антеннах конкретной станции, и разнесенные сигналы излучаются с разных точек пространства на одной и той же несущей частоте. В другой станции в ее приемной части в каждую из приемных антенн приходят сигналы от обеих передающих антенн другой станции, образуя в ней общий суммарный сигнал. Его уровень обусловлен амплитудно-фазовыми соотношениями в канале передачи от каждого из передающих антенн до данной приемной антенны. Далее сигналы, принятые обеими приемными антеннами, комбинируются.
Наличие канала обратной связи позволяет с приемника обратно на передатчик передавать информацию о текущем состоянии канала передачи. Это дает возможность управлять работой передатчика таким образом, чтобы обеспечить максимальный уровень принимаемого сигнала и повысить помехоустойчивость и надежность передачи информации.
Постоянное плавное перераспределение всей мощности между антеннами, которая вырабатывается на передающей стороне, затруднительно или не выгодно осуществить технически. Это потребует постоянного изменения режимов работы выходных каскадов мощных усилителей передатчиков, что приведет к недоиспользованию их возможностей и уменьшению коэффициента полезного действия. Чтобы использовать в полной мере технические возможности передатчиков, в заявляемой полезной модели применяется два метода управления передаваемой мощностью - метод коммутации передающих антенн и метод фазового управления.
При использовании метода коммутации общая мощность сигнала передатчика излучается с одной из двух передающих антенн, условия передачи от которой до приемников в данный момент времени являются наилучшими.
При фазовом управлении общая мощность сигнала передатчика распределяется поровну между обеими передающими антеннами, но у сигналов обеих антенн регулируется только взаимный фазовый сдвиг. Регулировка взаимного фазового сдвига производится таким образом, чтобы после приема и сложения принятых разнесенных сигналов обеспечивался максимальный уровень полученного суммарного сигнала.
В зависимости от текущего состояния каналов передачи и условий распространения преимущества (максимальный выходной уровень суммарного сигнала после сложения принятых разнесенных сигналов) обеспечивает либо один, либо другой метод. Поскольку структура приемной части в зависимости от применяемого метода не меняется, то не меняется и уровень шумов, поэтому максимум суммарного сигнала будет соответствовать максимуму отношения «сигнал/шум», т.е. максимуму помехоустойчивости.
В случае использования на приемной стороне линейного сложение принятых разнесенных сигналов суммарный коэффициент передачи в режиме коммутации передающих антенн будет равен:
K
11
12
21
22
K=max{(|k|+|k|), (|k|+|k|)},
где kij - коэффициент передачи сигнала от j-той передающей антенны до j - той приемной антенны, i,j=1 или 2.
При фазовом управлении сигналами передатчика этот суммарный коэффициент будет равен:
Ф
11
21
12
22
jφ
jφ
K=(1/√2)max{|k+ke|+|k+ke|}.
Коэффициент «√2» определяется тем, что в этом случае излучаемая каждой антенной мощность уменьшается вдвое (уровень сигнал уменьшается в √2 раз). В последнем случае максимум в отличие от предыдущего случая ищется не среди вариантов, разделенных запятой, а по значению фазового сдвига φ.
0
ф
0
K
0
Ф
К
11
12
0
21
0
22
0
Ф
0
K
0
Ф
K
Например, пусть в один момент времени все коэффициенты передачи близки по величине (пусть они все примерно равны К). В этом случае результирующие коэффициенты: К≈4К, K≈2√2К, К>К преимущества имеет метод фазой регулировки. В другой момент времени соотношение между коэффициентами будет другое, например, k=k=К, k=0,5 К, k=-0,5 К. В этом случае К=√5 К, К 2√2 К, К<К, преимущества имеет метод коммутации антенн.
В системе производится одновременное оценивание максимального уровня входного сигнала, который можно получить с использованием метода коммутации передатчиков и с помощью метода фазового управления. У каждой станции независимо от другой станции передача переключается в тот режим работы, который имеет преимущество по сравнению с другим режимом работы. Оценивание обстановки производится циклически. Каждый цикл содержит два такта: такт сравнения и такт подстройки. Циклы следуют постоянно один за другим без перерывов. Во время одного такта из них производится регулировка относительного фазового сдвига излучаемых сигналов, во время другого такта производится сравнение результатов, которые можно будет получить при использовании разных режимов передачи и определения наилучшего режима.
При этом формируются управляющие сигналы для посылки по каналу обратной связи. В результате этого сравнения, если преимущества имеет метод коммутации, то и одновременно определяется, к какой из передающих антенн должен быть подключен передатчик. Такты управляются сигналами тактового генератора. Таким образом, информация о свойствах каналов передачи обновляется с каждым циклом. Длительность циклов существенно меньше, чем время, в течение которого состояние среды распространения меняется, поэтому эти изменения свойств среды оперативно отслеживаются.
C
И сравнение результатов, и регулировка фазового сдвига производится с применением сигналов-маркеров, которые используются в разных тактах по-разному. Маркерами выступают синусоидальные сигналы постоянной амплитуды и частоты. Амплитуда прямо пропорциональна уровню передаваемого информационного сигнала и жестко к нему привязана. Частоты синусоид (f1 и f2) в каждом из передаваемых сигналов различаются, однако обе они на частотной оси расположены вблизи границы полосы П спектра передаваемого информационного сигнала, так, чтобы попадать вместе с ним в приемный тракт, однако не влиять на передачу информации (например, как изображено на фиг.3).
Если в результате изменения условий распространения более высокую помехоустойчивость может обеспечить не тот метод, который используется в данный момент, а другой, то в приемной части вырабатывается соответствующий управляющий сигнал и по каналу обратной связи посылается на передающую часть. Там он используется для перехода на другой режим. Таким образом, во все моменты времени система использует именно тот метод, который дает наибольшие преимущества в помехоустойчивости.
В такт подстройки каждого цикла производится подстройка фазового сдвига, который обеспечивает первый блок подстройки фазы 11. Для этой подстройки необходимо определить, в какую сторону в данный момент необходимо изменять фазу. Определение нужного направления производится следующим образом. Сигнал первого маркера с первого генератора 9 подается на первый сумматор 12 непосредственно, а на второй сумматор 13 он предварительно пропускается через первый фазовращатель 7. В этом фазовращателе его амплитуда не меняется, а добавляется фазовый сдвиг, равный Δφ. Подключение производится с помощью третьего коммутатора 6.
Сигнал второго маркера со второго генератора 10 на первый сумматор 12 с помощью второго коммутатора 5 подается непосредственно, а на второй сумматор 13 через второй фазовращатель 8. В этом фазовращателе амплитуда также не меняется, а добавляется такой же фазовый сдвиг, но противоположного знака, т.е. равный - Δφ. Величина Δφ выбирается из условия 0°<Δφ<90°. Работа ключа и второго коммутатора управляется сигналом, который принимается по каналу обратной связи.
В принимаемом сигнале присутствуют также одновременно оба маркера. Они передаются на различных частотах, и их уровень может быть раздельно измерен.
На приемной стороне сигналы с антенн принимаются первым 2 и вторым 3 приемниками. Приемники принимают и информационную часть сигналов, и сигналы-маркеры. Принятые разнесенные сигналы перед комбинированием (сложением) предварительно фазируются. Здесь выравнивание фаз необходимо для того, чтобы убрать разность фаз, которая возникает у сигналов от разных приемных антенн из-за того, что они пришли к антеннам по разным путям распространения. Разность фаз может меняться непрерывно случайным образом, поэтому выравнивание производится также непрерывно.
Для осуществления фазового выравнивания используется сигнал третьего генератора 14. Первый из принятых разнесенных сигналов в первом смесителе смещается по частотной оси на частоту сигнала этого третьего генератора. Второй разнесенный сигнал также с использованием смесителей и сигнала третьего генератора смещается по частотной оси, для этого тоже используется сигнал третьего генератора, но с добавленным определенным меняющимся фазовым сдвигом, при этом фазовый сдвиг добавляется к фазе второго разнесенного сигнала. Величина этого вносимого дополнительного фазового сдвига делается такой, чтобы компенсировать относительный фазовый сдвиг между входными разнесенными сигналами, возникший при прохождении по каналам распространения.
Этот дополнительный фазовый сдвиг вносится и регулируется с помощью блоков подстройки фазы. Блоки подстройки фазы управляются сигналами фазовых детекторов. Фазовые детекторы сравнивают фазы двух сигналов, приходящих на их входы и вырабатывают сигнал, пропорциональный текущей разности их фаз. Этот сигнал и управляет блоками подстройки фаз таким образом, чтобы уменьшить разность фаз сигналов на входах фазовых детекторов. В результате этой регулировки разность фаз между разнесенными сигналами исчезает, и они становятся синфазными.
После этого в регулируемых усилителях производится регулировка уровней сигналов перед их сложением. Уровни определяются в блоках регулировки усиления, сигналами которых управляется усиление регулируемых усилителей. Весовые коэффициенты при сложении обеспечиваются пропорциональными амплитудам складываемых сигналов, в результате чего в сумматорах производится сложение, близкое к оптимальному.
Описанные операции фазового выравнивания принятых разнесенных сигналов и весового сложения производятся в трех группах блоков. Выходные сигналы этих групп блоков используются в разных тактах цикла оценки. Разница между работой групп блоков заключается в том, какие части входных сигналов используются.
В группе блоков, содержащей второй смеситель 22 второй блок подстройки фазы 15, первый фазовый детектор 25, первый 37 и второй 37 регулируемые усилители, первый блок регулировки усиления 43 и третий сумматор 18, для сравнения фаз в фазовом детекторе оба разнесенных сигнала предварительно пропускаются через режекторные фильтры с одинаковыми частотными характеристиками. Первый режекторный фильтр 28 и второй режекторный фильтр 29 не пропускают сигналы обеих частот-маркеров, а в области расположения спектра информационного сигнала их коэффициент передачи близок к единице. Поэтому выравнивание фаз складываемых разнесенных сигналов в этой группе блоков производится только по составляющим информационного сигнала,
1
В группе блоков, содержащей третий смеситель 23, третий блок подстройки фазы 16, второй фазовый детектор 26, третий 39 и четвертый 40 регулируемые усилители, второй блок регулировки усиления 44 и четвертый сумматор 19, подстройка фаз и последующее сложение производится только над составляющими первого маркера во входных разнесенных сигналах. Для этого входные разнесенные сигналы пропускаются через первый 31 и второй 32 полосовые фильтры. Оба фильтра имеют одинаковые частотные характеристики. Они пропускают частотные составляющие в области частот, близкой к частоте f с единичным коэффициентом передачи, и не пропускают частотные составляющие из других областей. В этой группе блоков выравнивание фаз производится только по первому маркеру. На выходе четвертого сумматора 19 образуется сигнал первого маркера после оптимального сложения его составляющих из обоих разнесенных сигналов.
2
В группе блоков, содержащей четвертый смеситель 24, четвертый блок подстройки фазы 17, третий фазовый детектор 27, пятый 41 и шестой 42 регулируемые усилители, третий блок регулировки усиления 45 и пятый сумматор 20, подстройка фаз и последующее сложение производится только над составляющими второго маркера во входных разнесенных сигналах. Для этого входные разнесенные сигналы пропускаются через третий 33 и четвертый 34 полосовые фильтры. Оба фильтра имеют одинаковые частотные характеристики. Они пропускают частотные составляющие в области частот, близкой к частоте f с единичным коэффициентом передачи, и не пропускают частотные составляющие из других областей. В этой группе блоков выравнивание фаз производится только по второму маркеру. На выходе пятого сумматора 20 образуется сигнал второго маркера после оптимального сложения его составляющих из обоих разнесенных сигналов.
В режиме фазовой регулировки излучаемая мощность с обеих передающих антенн постоянна, изменяется только взаимный фазовый сдвиг сигналов. Для того чтобы определить, в каком направлении необходимо подстраивать этот фазовый сдвиг для получения на приемной стороне после сложения максимального уровня сигнала, сравниваются величины напряжений первого и второго маркеров в выходном сигнале третьего сумматора 18. Для этого этот сигнал проходит через пятый 35 и шестой 36 полосовые фильтры и поступает на третий 48 и четвертый 49 амплитудные детекторы.
3
Пятый полосовой фильтр пропускает с единичным коэффициентом передачи сигнал первого маркера и подавляет частоты из других областей спектра. Шестой полосовой фильтр пропускает с единичным коэффициентом передачи сигнал второго маркера и подавляет частоты из других областей спектра. Выходные сигналы третьего и четвертого амплитудных детекторов сравниваются по уровню в первом блоке сравнения 51, и вырабатывается сигнал U, управляющий в передатчике противоположной станции перестройкой первого блока подстройки фазы 11.
Рассмотрим, на основе чего вырабатывается этот управляющий сигнал. При передаче информационных сигналов в режиме фазового управления между сигналами в обеих антеннах имеется сдвиг фаз, который был внесен первым блоком подстройки фаз 11. Наилучшее значение этого сдвига фаз определяется текущим состоянием каналов передачи и соответствует ситуации, когда на приемной стороне выходной суммарный сигнал максимален. Если же наилучшее состояние не достигнуто, то необходимо продолжать перестройку первого блока подстройки фаз 11, т.е. продолжать в нужную сторону изменение сдвига фаз, вносимого этим блоком.
φ
Для определения нужного направления изменения этого сдвига фаз используется сравнение уровней сигналов-маркеров. Относительный сдвиг фаз сигналов первого маркера, излучаемых с антенн больше, чем сдвиг фаз, вносимый первым блоком подстройки 11 фаз на величину Δ, а относительный сдвиг фаз сигналов второго маркера, излучаемый с антенн, на эту величину меньше, чем сдвиг фаз, вносимый первым блоком подстройки фаз.
Таким образом, суммарные сдвиги фаз маркеров один ближе к наилучшему, другой дальше от наилучшего. Соответственно, на приемной стороне уровень сигнала одного маркера будет больше, чем уровень сигнала другого маркера. Эти уровни получаются на выходах третьего 48 и четвертого 49 амплитудных детекторов и сравниваются во втором блоке сравнения 52. Если более высоким оказывается сигнал первого маркера, то фазовый сдвиг, вносимый первым блоком подстройки фаз 11, следует увеличивать, если уровень второго маркера оказывается выше, чем сигнал первого маркера, то фазовый сдвиг следует уменьшать.
1
1
2
2
3
3
Сказанное иллюстрируется рисунком на фиг.4. На рисунке через S и S' обозначены векторы, описывающие компоненты сигналов первого маркера, пришедшие от первой и второй передающих антенн; через S и S' обозначены векторы, описывающие компоненты сигналов второго маркера, пришедшие от первой и второй передающих антенн; через S и S' обозначены векторы, описывающие компоненты информационных сигналов, пришедшие от первой и второй передающих антенн.
3
3
3
3
Пусть начальная фаза сигнала, излучаемого первой антенной, равна 0°, начальная фаза сигнала, излучаемого второй антенной равна β (β - фаза, которую вносит первый блок подстройки фазы 11). После прохождения каналов передачи и сложения разнесенных сигналов в приемной части начальная фаза доли сигнала от первой антенны в общем суммарном сигнале равна α, начальная фаза доли сигнала от второй антенны равна β+θ=γ. Наилучший фазовый сдвиг, вносимый первым блоком подстройки фазы, будет соответствовать ситуации, когда эти доли сигналов синфазны. Рисунок соответствует ситуации, когда настройка наилучшего сдвига фаз еще не произведена, γ≠α. В текущий момент времени первый блок подстройки фазы 11 вносит фазовый сдвиг, отличающийся от наилучшего на величину β=γ-α=β+θ-α, и поэтому |S+S'|<|S|+|S'|. Необходимо, чтобы первый блок подстройки 11 фазы в результате подстройки обеспечил γ=α, или β=α-θ.
1
1
2
2
Пока подстройка не произведена, в этой ситуации длина суммарного вектора первого маркера |S+S'| меньше длины суммарного вектора второго маркера |S+S'|, т.е. фаза второго маркера ближе к требуемому значению α, чем фаза первого маркера. А поскольку у первого маркера к фазовому сдвигу, вносимому блоком подстройки фазы, фазовый сдвиг добавляется, а у второго маркера он уменьшается, это означает, что для приближения величины β к α-θ, ее надо уменьшать.
В случае, если суммарный вектор второго маркера меньше, чем суммарный вектор первого маркера, что соответствует отрицательному β, применение того же правила сравнения укажет на необходимость увеличения β. Когда величина обоих векторов становится одинаковой, перестройка сдвига фаз прекращается. При этом информационные части при использования режима фазового регулирования станут синфазны (см. фиг.5). Таким образом, в этой операции подстройки первый блок подстройки фазы 11 обеспечивает между сигналами антенн наилучший фазовый сдвиг.
Этот фазовый сдвиг сохраняется до следующего такта подстройки. Когда начинается следующий такт подстройки, необходимое значение фазового сдвига корректируется, если это необходимо из-за изменения условий распространения. Длительность измерительного такта выбирается такой, чтобы за его время успела осуществиться подстройка фазового сдвига с достаточной точностью.
Независимо от режима работы передающей части процесс подстройки не мешает передаче информации. При работе в режиме коммутации антенн если информационный сигнал излучается с первой антенны, то он не проходит через блок подстройки фазы и сдвиг фаз в первом блоке подстройки фазы вносится только в сигналы-маркеры. Если информационный сигнал излучался только со второй антенны, то изменение его начального сдвига перед излучением одинаково вносится в сигналы, принимаемые обеими антеннами, и не меняет уровень суммарного сигнала после сложения на приемной стороне.
Во время такта сравнения сигнал о необходимости перестройки первого блока подстройки фазы не передается и сдвиг фаз в блоке сохраняет свою величину до следующего такта. Во время этого такта решение о том, какой из режимов управления передачей может в данный момент обеспечить наибольшую помехоустойчивость, принимается в первом блоке сравнения 51 сравнением уровней подаваемых на него сигналов. Управление блоком производится на основе сигнала тактового генератора 53, который указывает, что начался такт сравнения.
Маркеры во время такта сравнения используются по-другому. Коммутации, осуществляемые на передающей стороне во время этого такта, зависят от того, в каком из двух режимов работала передающая сторона. Если был режим фазового управления, то сигнал с первого генератора 9 с помощью второго коммутатора 6 отключается от второго сумматора 13, а сигнал второго генератора 10 с помощью ключа 5 отключается от первого сумматора 12. В результате этого сигнал первого маркера излучается только с первой антенны, в сигнал второго маркера излучается только со второй антенны.
На приемной стороне принятые обеими разнесенными антеннами с помощью блоков 16, 19, 23, 26, 31, 32, 39, 40, 44, 46 сигналы первого маркера выделяются, фазируются, складываются и детектируются в амплитудном детекторе 46 для определения уровня. Аналогично, принятые обеими разнесенными антеннами с помощью блоков 17, 20, 24, 27, 33, 34, 41, 42, 44, 47 сигналы второго маркера выделяются, фазируются, складываются и детектируются в амплитудном детекторе 47 для определения уровня.
При передаче уровни сигналов-маркеров жестко привязаны к уровню передаваемого информационного сигнала (составляют от него постоянную заранее известную часть). Поскольку при этом фазирование во втором 26 и третьем 27 фазовых детекторах производилось именно на основе сигналов-маркеров, то их величины на выходах амплитудных детекторов 46 и 47 укажут, какой была бы величина информационного сигнала, если бы в этот момент при передаче использовался режим коммутации антенн. Кроме того, сравнение уровней укажет, на какую из передающих антенн в режиме коммутации необходимо направлять мощность передатчика.
Таким образом, на первый блок сравнения 51 поступают три сигнала от трех амплитудных детекторов 46, 47 и 50. Уровень этих сигналов несет информацию о том, соответственно, каким будет уровень суммарного сигнала на приеме, если всю мощность излучать передатчика с одной или с другой антенны и каков уровень сигнала в текущем режиме, когда на приемной стороне применяется фазовое управление.
1
2
Если преимущество сохраняет метод фазового управления, то существующее положение сохраняется. Если в связи с изменившейся обстановкой преимущество перешло к методу коммутации антенн, то управляющий сигнал U, посылаемый по каналу обратной связи на передающую сторону, с помощью первого коммутатора 4 переключает работу на режим коммутации антенн и подключает всю мощность передатчика на антенну, обеспечивающую наибольшую помехоустойчивость. Также вырабатывается управляющий сигнал U, переключающий второй и третий коммутаторы 5 и 6 для режима коммутации антенн.
По другому правилу производится коммутации в такте сравнения, если в текущий момент при передаче применялся режим коммутации антенн. Если к передатчику 1 подключена первая антенна и с нее излучается информационный сигнал, то на время второго такта коммутатор 5 отключается и сигнал второго маркера со второго генератора 10 подается только на второй сумматор 13. Третий коммутатор 6 к своему выходу подключает не сигнал с первого фазовращателя 7, а непосредственно с первого генератора 9. Таким образом, сигнал первого маркера подается на оба сумматора 12 и 13 непосредственно, без взаимного фазового сдвига.
Таким образом, информационный сигнал излучается только с первой антенны, второй маркер излучается только со второй антенны, первый маркер излучается и первой антенны, и со второй антенны, причем между сигналами первого маркера, излучаемыми с обеих антенн, внесен фазовый сдвиг, равный β.
На приемной стороне в первом блоке сравнения 51 также сравниваются сигналы с выходов амплитудных детекторов 46, 47 и 50. Теперь информация о сравнительных особенностях режимов выглядит так. Уровень информационного сигнала говорит о возможностях режима коммутации на первую антенну. Уровень второго маркера говорит о возможностях режима коммутации на вторую антенну. Уровень первого маркера говорит о возможностях режима фазового управления. (Поскольку сейчас сигнал первого маркера одинакового уровня и начальной фазы подается на сумматоры 12 и 13 и имитирует информационный сигнал при фазовом управлении, то он подвергается тем же преобразованиям, которые происходили бы с информационным сигналом в этом режиме).
1
1
Если результат сравнения уровней входных сигналов в первом блоке сравнения 51 говорит о том, что текущий режим сохраняет преимущества, то и сохраняется существующее положение. Если сравнение говорит, что суммарный информационный сигнал увеличится, если перейти к другой антенне, то режим коммутации антенн сохраняется, но первый коммутатор 4 на передающей стороне переключает передатчик на вторую антенну с помощью управляющего сигнала U. Если сравнение сигналов в блоке 51 говорит о том, что теперь преимущества в текущий момент перешло к методу фазового управления передачей, то с помощью управляющего сигнала U режим передачи меняется на фазовое управление, для чего первый коммутатор 4 мощность передатчика поровну направляет к обеим антеннам.
Если в текущий момент при работе в режиме коммутации передатчик подключен ко второй антенне, то коммутация сигналов-маркеров производится по следующему правилу. Третий коммутатор 6 закрыт и не пропускает сигнал первого маркера на второй сумматор 13, таким образом, первый маркер излучается только с первой антенны. Второй коммутатор 5 на первый сумматор 12 подсоединяет сигнал второго генератора не непосредственно, а после второго фазовращателя 8. При этом одинаковые сигналы второго маркера подаются одновременно на оба сумматора 12 и 13 и имитируют режим фазового управления. Наличие в сигналах одинакового фазового сдвига, равного Δφ, на работу системы никак не влияет, так как для имитации необходимо только равенство обоих сигналов между собой.
На приемной стороне в первом блоке сравнения 51 также сравниваются сигналы с выходов амплитудных детекторов 46, 47 и 50. Теперь информация о сравнительных особенностях режимов выглядит так. Уровень информационного сигнала говорит о возможностях режима коммутации на вторую антенну. Уровень первого маркера говорит о возможностях режима коммутации на первую антенну. Уровень второго маркера говорит о возможностях режима фазового управления. (Поскольку сейчас сигнал второго маркера одинакового уровня и начальной фазы подается на сумматоры 12 и 13 и имитирует информационный сигнал при фазовом управлении, то он подвергается тем же преобразованиям, которые происходили бы с информационным сигналом в этом режиме).
1
1
Если результат сравнения уровней входных сигналов в первом блоке сравнения 51 говорит о том, что текущий режим сохраняет преимущества, то и сохраняется существующее положение. Если сравнение говорит, что суммарный информационный сигнал увеличится, если перейти к другой антенне, то режим коммутации антенн сохраняется, но первый коммутатор 4 на передающей стороне переключает передатчик на первую антенну с помощью управляющего сигнала U. Если сравнение сигналов в блоке 51 говорит о том, что теперь преимущества в текущий момент перешло к методу фазового управления передачей, то с помощью управляющего сигнала U режим передачи меняется на фазовое управление, для чего первый коммутатор 4 мощность передатчика поровну направляет к обеим антеннам.
1
2
3
U
T
Управляющие сигналы U, U и U в блоке введения служебный сигналов 54 объединяются с информационным сигналом S путем введения их в служебные каналы. Полученный таким образом сигнал S направляется на передатчик этой станции и посылается по служебному каналу.
1
2
3
Принятый выходной сигнал на выходе третьего режекторного фильтра 30 очищается от сигналов-маркеров и поступает потребителю передаваемой по системе информации. В блоке отделения служебных сигналов 55 из служебных каналов выделяются управляющие сигналы U, U и U, поданные с противоположной стороны и предназначенные для управления режимами передачи данной станции.
Применение предлагаемой системы передачи сигналов с двукратным разнесением позволяет полнее использовать текущие возможности каналов передачи, тем самым увеличить помехоустойчивость и надежность передачи сигналов.