СИСТЕМА ОДНОСТОРОННЕЙ ПОДВОДНОЙ РАДИОСВЯЗИ
UNDERWATER COMMUNICATION UNILATERAL SYSTEM

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к системам односторонней радиосвязи, в частности к командным радиолиниям, для связи наземного объекта с подводным объектом и использующим канал связи в виде воздушной и водной среды, роль которой выполняет морская вода.
Известна система односторонней радиосвязи, использующая канал связи в виде воздушной среды и содержащая два объекта. Первый объект содержит последовательно соединенные источник сообщения, кодирующее устройство, радиопередающее устройство, антенну.
Второй объект содержит соединенные последовательно антенну, радиоприемное устройство, декодирующее устройство, регистратор или получатель сообщения. Оба объекта размещены в воздушной среде [1].
Известна система односторонней электромагнитной связи для связи надводный объект - водолаз. Канал связи выполнен в виде морской воды. Система односторонней связи содержит надводный передатчик типа SWL-30 с антенной, размещенной в водной среде, и приемник SWL-50, размещенный в водной среде и укрепленный при помощи нейлоновых лент на водолазе [2]. Для связи используется частотный диапазон 100-3000 Гц.
Однако дальность связи не более 100 м.
Наиболее близкой по технической сущности и совокупности признаков является система односторонней подводной радиосвязи, описание которой приведено в патенте РФ №110575 [3].
Известная система односторонней радиосвязи, использующая канал связи в виде воздушной и водной среды, роль которой выполняет морская вода, содержит первый и второй надводные объекты, подводный объект, при этом первый надводный объект содержит соединенные последовательно источник сообщения, кодирующее устройство, модулятор, радиопередатчик и воздушную антенну. Второй надводный объект содержит соединенные последовательно воздушную антенну, радиоприемное устройство, преобразователь, передатчик и водное антенное устройство. Подводный объект содержит соединенные последовательно антенное устройство, радиоприемное устройство, декодирующее устройство и регистратор. У подводного объекта антенное устройство содержит антенну и входное устройство, у которого входные клеммы соединены с антенной, а выходные с входом радиоприемника.
Однако известная система имеет ограниченные возможности при наличии помех в зоне приема.
Задача изобретения - расширение арсенала технических средств для односторонней радиосвязи надводного объекта с подводным, при использовании канала связи в виде воздушной и водной среды.
Технический результат - увеличение надежности прохождения команды при дальней радиосвязи.
Технический результат достигается тем, что в системе односторонней радиосвязи, использующей канал связи в виде воздушной и водной среды и содержащей первый и второй надводные объекты и подводный объект, первый надводный объект содержит соединенные последовательно источник сообщения, кодирующее устройство, модулятор, радиопередатчик и воздушную антенну, второй надводный объект содержит соединенные последовательно воздушную антенну, радиоприемное устройство, преобразователь, передатчик и водное антенное устройство, подводный объект содержит соединенные последовательно антенну, входное устройство, радиоприемное устройство, декодирующее устройство и регистратор, согласно изобретению у подводного объекта входное устройство содержит первую и вторую входные клеммы, выходную клемму и общую шину, первый конденсатор, у которого первый вывод соединен с первой входной клеммой, а второй вывод соединен с первыми выводами первого индуктивного элемента, второго и третьего конденсаторов, второй вывод первого индуктивного элемента посредством первого электронного цифроуправляемого потенциометра соединен с общей шиной, второй вывод второго конденсатора соединен с общей шиной, второй вывод третьего конденсатора соединен с первым входом дифференциального усилителя, ко второй входной клемме подключен первый вывод четвертого конденсатора, у которого второй вывод соединен с первыми выводами пятого и шестого конденсаторов и второго индуктивного элемента, второй вывод пятого конденсатора соединен с общей шиной, второй вывод второго индуктивного элемента посредством второго электронного цифроуправляемого потенциометра соединен с общей шиной, второй вывод шестого конденсатора соединен со вторым входом дифференциального усилителя, к первому выходу дифференциального усилителя подключен первый вывод седьмого конденсатора, у которого второй вывод соединен с первыми выводами восьмого и девятого конденсаторов и третьего индуктивного элемента, второй вывод восьмого конденсатора соединен с общей шиной, второй вывод третьего индуктивного элемента посредством третьего электронного цифроуправляемого потенциометра соединен с общей шиной, второй вывод девятого конденсатора соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя, ко второму выходу дифференциального усилителя подключен первый вывод десятого конденсатора, у которого второй вывод соединен с первыми выводами одиннадцатого и двенадцатого конденсаторов и четвертого индуктивного элемента, второй вывод одиннадцатого конденсатора соединен с общей шиной, второй вывод четвертого индуктивного элемента посредством четвертого электронного цифроуправляемого потенциометра соединен с общей шиной, второй вывод двенадцатого конденсатора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, к выходу которого подключен первый вывод тринадцатого конденсатора, второй вывод которого соединен с первыми выводами четырнадцатого и пятнадцатого конденсаторов и пятого индуктивного элемента, второй вывод четырнадцатого конденсатора соединен с общей шиной, второй вывод пятого индуктивного элемента посредством пятого электронного цифроуправляемого потенциометра соединен с общей шиной, второй вывод пятнадцатого конденсатора соединен с выходной клеммой устройства, при этом первый, второй, третий, четвертый и пятый индуктивные элементы выполнены по идентичным схемам обобщенного конвертора сопротивлений, каждый из которых содержит первый резистор, первый вывод которого является входом конвертора и подключен к неинвертирующему входу первого операционного усилителя, второй вывод первого резистора соединен с выходом второго операционного усилителя и первым выводом второго резистора, у которого второй вывод соединен с инвертирующими входами первого и второго операционных усилителей, а также с первым выводом третьего резистора, у которого второй вывод соединен с выходом первого операционного усилителя и первым выводом конденсатора, второй вывод которого подключен к неинвертирующему входу второго операционного усилителя и является выходом обобщенного конвертора.
Сущность изобретения состоит в том, что у подводного объекта входное устройство содержит первую и вторую входные клеммы, выходную клемму и общую шину, первый конденсатор, у которого первый вывод соединен с первой входной клеммой, а второй вывод соединен с первыми выводами первого индуктивного элемента, второго и третьего конденсаторов, второй вывод первого индуктивного элемента посредством первого электронного цифроуправляемого потенциометра соединен с общей шиной, второй вывод второго конденсатора соединен с общей шиной, второй вывод третьего конденсатора соединен с первым входом дифференциального усилителя, ко второй входной клемме подключен первый вывод четвертого конденсатора, у которого второй вывод соединен с первыми выводами пятого и шестого конденсаторов и второго индуктивного элемента, второй вывод пятого конденсатора соединен с общей шиной, второй вывод второго индуктивного элемента посредством второго электронного цифроуправляемого потенциометра соединен с общей шиной, второй вывод шестого конденсатора соединен со вторым входом дифференциального усилителя, к первому выходу дифференциального усилителя подключен первый вывод седьмого конденсатора, у которого второй вывод соединен с первыми выводами восьмого и девятого конденсаторов и третьего индуктивного элемента, второй вывод восьмого конденсатора соединен с общей шиной, второй вывод третьего индуктивного элемента посредством третьего электронного цифроуправляемого потенциометра соединен с общей шиной, второй вывод девятого конденсатора соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя, ко второму выходу дифференциального усилителя подключен первый вывод десятого конденсатора, у которого второй вывод соединен с первыми выводами одиннадцатого и двенадцатого конденсаторов и четвертого индуктивного элемента, второй вывод одиннадцатого конденсатора соединен с общей шиной, второй вывод четвертого индуктивного элемента посредством четвертого электронного цифроуправляемого потенциометра соединен с общей шиной, второй вывод двенадцатого конденсатора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, к выходу которого подключен первый вывод тринадцатого конденсатора, второй вывод которого соединен с первыми выводами четырнадцатого и пятнадцатого конденсаторов и пятого индуктивного элемента, второй вывод четырнадцатого конденсатора соединен с общей шиной, второй вывод пятого индуктивного элемента посредством пятого электронного цифроуправляемого потенциометра соединен с общей шиной, второй вывод пятнадцатого конденсатора соединен с выходной клеммой устройства, при этом первый, второй, третий, четвертый и пятый индуктивные элементы выполнены по идентичным схемам обобщенного конвертора сопротивлений, каждый из которых содержит первый резистор, первый вывод которого является входом конвертора и подключен к неинвертирующему входу первого операционного усилителя, второй вывод первого резистора соединен с выходом второго операционного усилителя и первым выводом второго резистора, у которого второй вывод соединен с инвертирующими входами первого и второго операционных усилителей, а также с первым выводом третьего резистора, у которого второй вывод соединен с выходом первого операционного усилителя и первым выводом конденсатора, второй вывод которого подключен к неинвертирующему входу второго операционного усилителя и является выходом обобщенного конвертора.
На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемой системы односторонней радиосвязи, на фиг. 2 приведена электрическая схема входного устройства радиоприемника, на фиг. 3 приведена электрическая схема обобщенного конвертора сопротивлений, на фиг. 4 приведена эквивалентная схема входного устройства радиоприемника.
Система односторонней радиосвязи (см. фиг. 1) содержит первый наземный объект 1, второй наземный объект 2 и подводный объект 3.
Первый наземный объект 1 содержит последовательно соединенные источник сообщений 4, кодирующее устройство 5, модулятор, радиопередатчик 6 и воздушную антенну 7. Второй наземный объект 2 содержит последовательно соединенные воздушную антенну 8, радиоприемное устройство 9, преобразователь 10, передатчик 11, выходное устройство 12 и водную антенную систему 13. Водная антенная система 13 размещена в водной среде и содержит первый металлический электрод, соединенный посредством проводника с выходной потенциальной клеммой передатчика, второй металлический электрод, соединенный посредством проводника с выходной низкопотенциальной клеммой передатчика.
Подводный объект 3 содержит последовательно соединенные антенную систему 14, входное устройство 15, радиоприемное устройство 16, декодирующее устройство 17 и регистратор 18. Антенная система 14 выполнена в виде первого и второго металлических электродов, которые посредством проводников соединены с входными клеммами входного устройство соответственно. Входное устройство радиоприемника помещено в герметический корпус. На фиг. 2 приведена электрическая схема устройства.
Входное устройство радиоприемника содержит первую 19, вторую 20 входные клеммы, выходную клемму 21 и общую шину 22. К первой входной клемме 19 подключен первый вывод конденсатор 23, у которого второй вывод соединен с первыми выводами индуктивного элемента 24 и конденсаторов 25 и 26. Второй вывод конденсатора 25 соединен с общей шиной. Второй вывод конденсатора 26 соединен с первым входом дифференциального усилителя 27. Второй вывод первого индуктивного элемента 24 посредством электронного цифроуправляемого потенциометра 28 соединен с общей шиной. К входной клемме 20 подключен первый вывод конденсатора 29, у которого второй вывод соединен с первыми выводами индуктивного элемента 30, и конденсаторов 31 и 32. Второй вывод индуктивного элемента 30 посредством электронного цифроуправляемого потенциометра 33 соединен с общей шиной. Второй вывод конденсатора 31 соединен с общей шиной. Второй вывод конденсатора 32 соединен со вторым входом дифференциального усилителя 27.
К первому выходу дифференциального усилителя 27 подключен первый вывод конденсатора 34, у которого второй вывод соединен с первыми выводами конденсаторов 35 и 36, и индуктивного элемента 37. Второй вывод конденсатора 35 соединен с общей шиной. Второй вывод индуктивного элемента 37 посредством электронного цифроуправляемого потенциометра 38 соединен с общей шиной. Второй вывод конденсатора 36 соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя 39. Ко второму выходу дифференциального усилителя 27 подключен первый вывод конденсатора 40, у которого второй вывод соединен с первыми выводами конденсаторов 41 и 42, и индуктивного элемента 43. Второй вывод конденсатора 41 соединен с общей шиной. Второй вывод индуктивного элемента 43 посредством электронного цифроуправляемого потенциометра 44 соединен с общей шиной. Второй вывод конденсатора 42 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 39. К выходу операционного усилителя 39 подключен первый вывод конденсатора 45, второй вывод которого соединен с первыми выводами конденсаторов 46 и 47, и индуктивного элемента 48. Второй вывод конденсатора 46 соединен с общей шиной. Второй вывод индуктивного элемента 48 посредством электронного цифроуправляемого потенциометра 49 соединен с общей шиной. Второй вывод конденсатора 47 соединен с выходной клеммой устройства 3.
Индуктивные элементы 24, 30, 37, 43 и 48 выполнены по идентичным схемам обобщенного конвертора сопротивлений (см. фиг. 3) [4]. Например, индуктивный элемент 24 содержит резистор 50, первый операционный усилитель 51, второй операционный усилитель 52, а также резисторы 53 и 54, и конденсатор 55. При этом резистор 50 подключен первым выводом к входу обобщенного конвертора и к неинвертирующему входу операционного усилителя 51. Второй вывод резистора 50 соединен с первым выводом резистора 53 и с выходом операционного усилителя 52. Второй вывод резистора 53 соединен с инвертирующими входами операционных усилителей 51 и 52 и с первым выводом резистора 54, второй вывод которого соединен с выходом операционного усилителя 51 и с первым выводом конденсатора 55, у которого второй вывод соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя 52 и выходом обобщенного конвертора 24. Выход обобщенного конвертора соединен с входом цифроуправляемого потенциометра 28, второй вывод которого соединен с общей шиной.
На фиг. 4 представлена эквивалентная схема входного устройства радиоприемника.
Элементы 24, 30, 37, 43 и 48 выполняют роль катушек с переменной индуктивностью.
Изменение величины индуктивности элементов 6, 12, 17, 24 и 29 производится синхронно путем изменения величины сопротивления потенциометров 28, 33, 38, 44 и 49. Все контуры, в которые входят индуктивные элементы, настроены на частоту приема.
В сравнении с прототипом предлагаемое радиоприемное устройство имеет более высокую избирательность из-за большего числа селективных элементов и более высокой добротности индуктивных элементов.
Входное устройство работает следующим образом.
На клеммах 19 и 20 присутствует сигнал, принятый антенной 14 с уровнем Е.
К клеммам 19 и 20 подключен вход четырехполюсника, который на входе содержит первый и второй параллельные колебательные контуры, соединенные последовательно и подключенные к входным клеммам устройства 19 и 20 посредством конденсаторов 23 и 29. Средняя точка соединения двухполюсников соединена с общей шиной 22.
В предлагаемом устройстве не происходит шунтирование каждого из контуров сопротивлением антенны.
Оба контура настроены на частоту принимаемого сигнала. Практически, напряжение на каждом из контуров будет равно , где Е - напряжение в антенне, Q - эффективная добротность контура. Для первого колебательного контура второй колебательный контур является элементом связи, и наоборот, для второго колебательного контура первый колебательный контур является элементом связи.
Реактивное сопротивление первого колебательного контура Roe1 шунтируется цепью, состоящей из соединенных последовательно конденсатора 23, сопротивления антенны, конденсатора 29 и реактивного сопротивления второго колебательного контура Roe2.
Степень шунтирования зависит от сопротивления антенны. Наибольшая будет при сопротивлении, близком к нулю. При нуле величина реактивного сопротивления первого колебательного контура практически будет равна Roe1/2. Величина реактивного сопротивления определяет избирательность контура.
Аналогично и для реактивного сопротивления второго колебательного контура. Реально, параллельно первому входу дифференциального усилителя 27 включено реактивное сопротивление первого колебательного контура, а параллельно второму входу - реактивное сопротивление второго колебательного контура.
С выходов дифференциального усилителя 27 усиленные сигналы поступают на входы выходных селективных четырехполюсников, а затем на входы операционного усилителя 39.
С выхода операционного усилителя 39 усиленный сигнал поступает на вход выходного селективного четырехполюсника и затем на выходную клемму 21.
Если бы входное устройство содержало только один параллельный колебательный контур, то он был бы зашунтирован сопротивлением антенны, которая практически имеет малую величину. В этом случае колебательный контур не будет обладать резонансными свойствами. Входная цепь не будет ослаблять мешающие сигналы, отличные по частоте от принимаемого сигнала. Для получения избирательности необходимо иметь дополнительную обмотку связи у катушки индуктивности входного контура, что приведет к значительному уменьшению коэффициента передачи сигнала.
В предлагаемом устройстве не происходит шунтирование каждого из контуров сопротивлением антенны.
Для морской воды у второго надводного объекта водное антенное устройство выполнено в виде двух металлических электродов, соединенных при помощи проводников с выходными клеммами выходного устройства, у подводного объекта водное антенное устройство содержит антенну, выполненную из двух металлических электродов, соединенных при помощи проводников с входными клеммами входного устройства. Электроды выполнены из нержавеющей стали или титана.
Применение в качестве катушек с переменной индуктивностью схем конверторов обобщенных сопротивлений позволяет решить вопрос настройки колебательных контуров на частоту принимаемого сигнала и значительно уменьшить объем входного устройства.
Система работает следующим образом.
Предлагаемая система односторонней радиосвязи работает следующим образом.
В первом наземном объекте 1 сигнал от источника сообщения 4, пройдя устройства кодирования 5, поступает на модулятор передатчика 6. После модуляции несущей частоты F1 передатчика 6 через антенну 7 высокочастотный модулированный сигнал излучается в эфир. Этот сигнал через антенну 8 второго наземного объекта 2 поступает на вход радиоприемника 9, а затем на вход преобразователя 10. Преобразованный сигнал поступает на вход передатчика 11. С выхода передатчика 11 сигнал с несущей частотой F2 посредством элементов 12 и 13 антенного устройства излучается в водную среду. Посредством антенного устройства 14 подводного объекта 3 сигнал из водной среды принимается и поступает на вход входного устройства 15, а затем на вход радиоприемника 16, с выхода радиоприемника 16 сигнал поступает на вход декодирующего устройства 17, а затем на вход регистратора 18 для исполнения команды.
Радиоприемные устройства 9 и 15 постоянно находятся в режиме приема. Техническим результатом предложения является повышение надежности дальней связи.
Источники информации
1. И.М. Тепляков и др., Радиолинии космических систем передачи информации. - М.: Сов. Радио, 1975, с. 6.
2. Н.А. Стопцов и др., Связь под водой. - Л.: Судостроение, 1990.
3. Патент РФ №110575, МПК H04B 13/00, опубл. 20.11.2011 Бюл. №32.
4. Справочник по расчету и проектированию ARC-схем. Букашкин С.А., Власов В.П., Змий Б.Ф. и др. Под редакцией Ланнэ А.А. Москва, «Радио и связь», 1984.