Устройство широкополосной радиосвязи

 

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться в асинхронно-адресных системах связи с кодовым разделением каналов. Технический результат - повышение помехозащищенности системы связи. Достигается тем, что в устройстве широкополосной радиосвязи, содержащем в передатчике генератор несущей и тактовой частот (НТЧ), сумматор, последовательно соединенные первый формирователь ортогональной псевдослучайной последовательности (ОПСП) и первый умножитель, последовательно соединенные первый генератор псевдослучайной последовательности (ПСП) и второй умножитель, фазовращатель на 90°, фазовый манипулятор, первый блок фазирования, в приемнике - блок синхронизации, фазовый детектор, последовательно соединенные второй формирователь ОПСП, третий умножитель и первый полосовой фильтр, последовательно соединенные второй генератор ПСП, четвертый умножитель и второй полосовой фильтр, второй блок фазирования, в передатчик дополнительно введены первый фазовый манипулятор на 90° и первый генератор дополнительной последовательности (ДП), а в приемник введены последовательно соединенные первый широкополосный фильтр, ограничитель, блок вычитания и второй широкополосный фильтр, а также второй и третий фазовые манипуляторы на 90°, второй генератор ДП, два дополнительных умножителя, два дополнительных полосовых фильтра, блок сравнения, дополнительный фазовый детектор и коммутатор. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и преимущественно может использоваться в асинхронно-адресных системах связи с кодовым разделением каналов.

Известны устройства широкополосной радиосвязи, например. описанные в авторских свидетельствах №651492 "Радиолиния для передачи дискретной информации"; №563730 "Радиолиния с шумоподобными сигналами для передачи дискретной информации".

Основным недостатком этих систем является низкая помехозащищенность по отношению к структурным помехам, т.е. помехам, отличающимся от сигнала только кодом используемых псевдослучайных сигналов, которая ниже помехозащищенности этих систем по отношению к белому шуму.

Этот недостаток особенно сказывается в асинхронно-адресных системах связи с кодовым разделением каналов, в которых из-за различия расстояний между абонентами связи мощность мешающих сигналов от активных абонентов может во много раз превышать мощность полезного сигнала.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому является устройство, описанное в авторском свидетельстве №300946 "Аппаратура для передачи дискретной информации".

Блок-схема устройства-прототипа изображена на фиг.1, для которой введены следующие обозначения:

1 - генератор колебаний несущей и тактовой частот (ГНТЧ);

2, 12 - формирователь ортогональной псевдослучайной последовательности (ФОПП);

3, 13 - генератор псевдослучайной последовательности (ГПП);

4, 14 - блок фазирования;

5,6,10,11 - умножители;

7 - фазовращатель на 90°;

8 - фазовый манипулятор;

9 - схема сложения;

15 - блок синхронизации;

16, 17 - полосовые фильтры;

18 - фазовый детектор.

Аппаратура для передачи дискретной информации имеет следующие функциональные связи:

в передатчике один выход ГНТЧ 1 соединен с первым входом схемы сложения 9 через формирователь ФОПП 2 и умножитель 5 и со вторым входом схемы сложения 9 через генератор ГПП3 и умножитель 6, второй выход ГНТЧ 1 соединен со вторым входом умножителя 5 через фазовращатель 7 на 90° и со вторым входом умножителя 6 через фазовый манипулятор 8, выходы блока фазирования 4 подключены ко вторым входам ФОПП 2 и ГПП 3;

в приемнике входной сигнал подается на блок синхронизации 15, на первый вход фазового детектора 18 через умножитель 10 и полосовой фильтр 16 и на второй вход фазового детектора 18 через умножитель 11 и полосовой фильтр 17, выход блока синхронизации 15 подключен к ФОПП 12 и ГПП 13, соединенным между собой блоком фазирования 14, выходы ФОПП 12 и ГПП 13 подключены ко вторым входам умножителей 10 и 11 соответственно.

Устройство-прототип работает следующим образом.

В передатчике ГНТЧ 1 формирует две частоты - тактовую частоту для ФОПП 2 и ГПП 3 и несущую частоту сигнала. Генераторы ФОПП 2 и ГПП 3, сфазированные между собой блоком фазирования 4, вырабатывают двоичные ортогональные псевдослучайные последовательности, которые поступают на умножители 5 и 6. На второй вход умножителя 5 через фазовращатель 7 на 90° с выхода ГНТЧ 1 поступает колебание несущей частоты, которое в умножителе 5 умножается на двоичную псевдослучайную последовательность. В результате на выходе умножителя 5 образуется сигнал, представляющий собой колебание несущей частоты, манипулированное по фазе на 0° и 180° по закону двоичной псевдослучайной последовательности.

На второй вход умножителя 6 через фазовый манипулятор 8 поступает колебание несущей частоты с выхода ГНТЧ 1.

В зависимости от знака передаваемой информации фазовый манипулятор 8 осуществляет поворот фазы несущего колебания на 0° или 180°. С выходов умножителей 5 и 6 сигналы поступают на схему сложения 9, которая образует выходной сигнал передатчика, представляющий собой колебание несущей частоты постоянной амплитуды манипулирования по фазе на 0°, 90°, 180° и 270°.

В приемнике принимаемый сигнал поступает на умножители 10 и 11, аналогичные умножителям 5 и 6 передатчика, в которых умножается на двоичные псевдослучайные последовательности, вырабатываемые генераторами ФОПП 12 и ГПП 13, аналогичными ФОПП 2 и ГПП 3 передатчика. Сигнал с выхода умножителя 10 поступает на полосовой фильтр 16, который выделяет колебание несущей частоты.

Сигнал с выхода умножителя 11 поступает на полосовой фильтр 17, выделяющий колебание несущей частоты, манипулированное по фазе передаваемой информацией. Выходные сигналы полосовых фильтров 16 и 17 подаются на фазовый детектор 18, выделяющий информационную разность фаз между ними.

Генераторы псевдослучайных последовательностей ФОПП 12 и ГПП 13 фазируются между собой блоком 14.

Синхронизацию двоичных псевдослучайных последовательностей приемника с принимаемым сигналом осуществляет блок синхронизации 15.

Основным недостатком устройства-прототипа является низкая помехозащищенность по отношению к структурным помехам. Этот недостаток обусловлен тем, что при больших значениях взаимной корреляции структурной помехи и полезного сигнала помехозащищенность приемника может быть значительно ниже помехозащищенности по отношению к белому шуму.

Целью предлагаемого устройства является повышение помехозащищенности системы связи.

Блок-схема предлагаемого устройства изображена на фиг.2, для которой введены обозначения:

1 - генератор несущей и тактовой частот (ГНТЧ);

2, 12 - формирователь ортогональной псевдослучайной последовательности;

3, 13 - генератор псевдослучайной последовательности (ГПП);

4, 14 - блок фазирования;

5, 6, 10, 11, 29, 30 - умножители;

7 - фазовращатель на 90°;

8 - фазовый манипулятор;

9 - схема сложения;

15 - блок синхронизации;

16, 17, 31, 32 - полосовые фильтры;

18, 34 - фазовый детектор;

19, 26 - генератор дополнительной последовательности (ГДП);

20, 27, 28 - фазовый манипулятор на 90°;

22, 25 - широкополосный фильтр с усилителем;

23 - ограничитель;

24 - блок вычитания;

33 - схема сравнения;

35 - коммутатор.

Устройство широкополосной радиосвязи имеет следующие функциональные связи:

в передатчике один выход ГНТЧ 1 соединен с первым входом схемы сложения 9 через формирователь ФОПП2 и умножитель 5 и со вторым входом схемы сложения 9 через генератор ГПП 3 и умножитель 6, второй выход ГНТЧ 1 соединен со вторым входом умножителя 5 через фазовращатель 7 на 90° и со вторым входом умножителя 6 через фазовый манипулятор 8, выходы блока фазирования 4 подключены ко входам ФОПП 2, ГПП 3 и ГДП 19, второй вход которого соединен сГНТЧ 1, а выход подключен к фазовому манипулятору 20 на 90°, вход которого соединен со схемой сложения 9;

в приемнике последовательно соединены широкополосный фильтр с усилителем 22, ограничитель 23, блок вычитания 24 и широкополосный фильтр с усилителем 25, выход которого подключен ко входу блока синхронизации 15 и входу фазового манипулятора 28 на 90°, выход блока 22 соединен со вторым входом блока вычитания 24, со входом блока синхронизации 15 и входом фазового манипулятора 27, выход блока синхронизации подключен к ФОПП 12 и ГПП 13, соединенным между собой блоком фазирования 14, выход которого подключен к ГДП 26, второй вход которого соединен с блоком синхронизации, а выход подключен к фазовым манипуляторам 27 и 28 на 90°, выходы которых соединены с умножителями 10, 11 и 28, 30 соответственно, выход ФОПП 12 подключен к умножителям 10 и 29, выход ГПП 13 подключен к умножителям 11 и 30, выход умножителя 11 соединен с первым входом фазового детектора 18 через полосовой фильтр 17, выход умножителя 10 подключен ко второму входу фазового детектора 18 через полосовой фильтр 16, выходы умножителей 29 и 30 соединены со входами фазового детектора 34 через полосовые фильтры 31 и 32 соответственно, выходы фазовых детекторов 18 и 34 подключены к коммутатору 35, один вход которого соединен со схемой сравнения 33, входы которой подключены к выходам полосовых фильтров 16 и 31.

Предлагаемое устройство широкополосной радиосвязи работает следующим образом.

В передатчике ГНТЧ 1 формирует две частоты - тактовую частоту для ФОПП 2 и ГПП 3 и несущую частоту сигнала.

Генераторы ФОПП 2 и ГПП 3, сфазированные между собой блоком фазирования, вырабатывают двоичные ортогональные псевдослучайные последовательности, которые поступают на умножители 5 и 6. На второй вход умножителя 5 через фазовращатель 7 на 90° с выхода ГНТЧ 1 поступает колебание несущей частоты, которое в умножителе 5 умножается на двоичную псевдослучайную последовательность. В результате на выходе умножителя 5 образуется сигнал, представляющий собой колебание несущей частоты, манипулированное по фазе на 0° и 180° по закону двоичной псевдослучайной последовательности.

На второй вход умножителя 6 через фазовый манипулятор 8 поступает колебание несущей частоты в выхода ГНТЧ 1.

В зависимости от знака передаваемой информации фазовый манипулятор 8 осуществляет поворот фазы несущего колебания на 0° или 180°.

С выходов умножителей 5 и 6 сигналы поступают на схему сложения 9, на выходе которой образуется колебание несущей частоты, манипулированное по фазе на 0°, 90°, 180° и 270°. С выхода схемы сложения сигнал поступает на фазовый манипулятор 20 на 90°, в котором манипулируется по фазе на 0° и 90° дополнительной псевдослучайной последовательностью, вырабатываемой ГДП 19. Если обозначить n_1t - последовательность, вырабатываемую ФОПП 2 (n_1t=0 или 1), n_2t

- генератором ГПП 3, n - передаваемую информацию, а n _3t - последовательность, вырабатываемую ГДП 19, то выходной сигнал передатчика можно представить в виде

где ω - несущая частота сигнала;

α(t) - переменная фаза сигнала, принимающая значения 0°, 90°, 180° и 270°.

В приемнике входной сигнал поступает на широкополосный фильтр с усилителем 22, в котором фильтруется в полосе передаваемого шумоподобного сигнала и усиливается. Блок 22 содержат автоматический регулятор уровня усиления (АСУ), который поддерживает среднее значение амплитуды выходного сигнала на постоянном уровне а₀.

С выхода блока 22 сигнал подается на ограничитель 23 с характеристикой

и далее на блок вычитания 24.

В блоке 24 из выходного сигнала блока 22 вычитается сигнал ограничителя 23.

Как известно, при прохождении суммы двух сигналов через ограничитель происходит подавление слабого сигнала более сильным, поэтому в случае воздействия на приемник структурной помехи, мощность которой значительно превышает мощность полезного сигнала, на выходе ограничителя 23 отношение помеха/сигнал будет больше, чем на выходе блока 22. В силу этого при вычислении разности между этими сигналами в блоке 24 подавление помехового сигнала будет больше, чем подавление полезного сигнала, т.е. отношение помеха/сигнал на выходе блока 24 меньше этого отношения на выходе блока 22. Как будет показано в экономическом обосновании, отношении помеха/сигнал на выходе блока 24 составляет 0 дБ, т.е. происходит почти полное подавление структурной помехи.

В блоке 25 отфильтровываются гармоники сигнала, возникшие при прохождении через ограничитель 24, и сигнал усиливается. Также как в блоке 22, устройство АРУ автоматически поддерживает средний уровень амплитуды выходного сигнала около постоянного значения а ₀.

Выходной сигнал блока 22 подается на фазовый манипулятор 27 на 90° и блок синхронизации 15.

Выходной сигнал блока 25 поступает на фазовый манипулятор 28 и блок синхронизации 15.

Приемник содержит два идентичных канала выделения информации. В первом канале выходной сигнал блока 22 манипулируется по фазе на 0° и -90° дополнительной последовательностью, вырабатываемой ГДП 26, аналогичным генератору ГДП 19 передатчика. При этом снимается фазовая манипуляция, наложенная в передатчике фазовым манипулятором 20 на 90°. С выхода блока 27 сигнал поступает на умножители 10 и 11, в которых умножается на псевдослучайные последовательности, формируемые ФОПП 12 и ГПП 13, аналогичными ФОПП 2 и ГПП 3 передатчика. Выходные сигналы умножителей 10 и 11 фильтруются в полосовых фильтрах 16 и 17.

В полосовом фильтре 16 выделяется колебание несущей частоты, в полосовом фильтре 17 - колебание несущей частоты, манипулированное по фазе передаваемой информацией.

Выходные сигналы полосовых фильтров 16 и 17 поступают на фазовый детектор 18, выделяющий информационную разность фаз между ними.

Аналогично во втором канале обработки сигнал с выхода широкополосного фильтра с усилителем 25 поступает на фазовый манипулятор 28, в котором снимается дополнительная фазовая манипуляция на 0° и 90°, и далее на умножители 29 и 30, в которых умножается на псевдослучайные последовательности, формируемые ФОПП 12 и ГПП 13. Выходные сигналы умножителей 29 и 30 фильтруются в полосовых фильтрах 32 и 31 и поступают на фазовый детектор 34. В полосовом фильтре 31 выделяется колебание несущей частоты, а в полосовом фильтре 32 - колебание несущей частоты, манипулированное по фазе передаваемой информацией. Фазовый детектор 34 выделяет информационную разность фаз между сигналами.

Информационные сигналы с выходов фазовых детекторов 18 и 34 поступают на коммутатор 35, с которого снимается информация.

Выходные сигналы полосовых фильтров 16 и 31 подаются на схему сравнения 33, которая сравнивает их амплитуды. Выходной сигнал схемы сравнения 33 управляет коммутатором 35.

Если амплитуда сигнала полосового фильтра 31 в К раз превышает амплитуду сигнала полосового фильтра 16, коммутатор 35 подключает к выходу информационный сигнал фазового детектора 34.

Если амплитуда сигнала полосового фильтра 31 меньше чем в К раз превышает амплитуду сигнала полосового фильтра 16, коммутатор 35 подключает к выходу информационный сигнал фазового детектора 18.

Таким образом, при воздействии на приемник флуктуационных шумов, прием информации осуществляется по первому каналу обработки сигнала. Если же на вход приемника воздействуют структурные помехи или иные помехи с постоянной или квазипостоянной амплитудой, прием информации происходит по второму каналу обработки, в котором происходит практически полное подавление таких помех.

Генераторы ФОПП 12, ГПП 13 и ГДП 26 фазируются между собой блоком фазирования 14.

Синхронизацию генераторов псевдослучайных последовательностей с принимаемым сигналом осуществляет блок синхронизации 15.

Основным преимуществом предлагаемого устройства является высокая помехозащищенность по отношению к структурным помехам, а также к иным помехам с постоянной или квазипостоянной амплитудой.

Для того чтобы доказать это, рассмотрим случай, когда на вход приемника воздействует помеха

и полезный сигнал (1)

причем мощность помехи значительно больше мощности сигнала, т.е.

На выходе широкополосного фильтра с усилителем 22 образуется сигнал

Этот сигнал можно представить в виде

X _t=R(t)cos γ (t),

где R(t) - огибающая сигнала,

При прохождении такого сигнала через ограничитель 23 с характеристикой образуется сигнал

Сигналы вида cos[(2n+1)γt] при n≥1 имеют чистоту высших гармоник сигнала S_t, поэтому они отфильтровываются в фильтре 25 и их можно не рассматривать.

Разность сигналов X(t) и Y(t), формирующаяся в блоке 24 имеет вид

Заменяя приближенным выражением (с учетом q«1)

Таким образом, на выходе блока 24 мощность сигнала и помехи равны, т.е. отношение помеха/сигнал равно 0 дБ.

Следовательно, при любых больших отношениях помеха/сигнал на входе приемника отношение помеха/сигнал на выходе широкополосного фильтра 25 равно 0 дБ. Оставшаяся часть помехи "перемалывается" в умножителях 29 и 30 и отфильтровывается в полосовых фильтрах 31 и 32.

Введение в передатчике и приемнике дополнительных генераторов ГДП 19 и ГДП 26, а также фазовых манипуляторов на 90° объясняется следующим.

Рассмотрим случай, когда передается один шумоподобный сигнал

S_t=V·cos(ωt+n_1t·π)

и помеха, имеющая ту же несущую частоту, но фазе которой сдвинута на

где n_1t, n_2t - псевдослучайные последовательности.

Согласно формуле (2) сигнал в этом случае имеет вид

т.е. в этом случае происходит полное подавление сигнала. Чтобы избежать подобных случаев вводится дополнительная фазовая манипуляция на 0° и 90°. Сигнал теперь можно представить в виде

а помеху

Сигнал равен

При снятии манипуляции на 0° и 90° в блоке 28 образуется сигнал

т.е. помеховая составляющая содержит дополнительную фазовую манипуляцию на 0° и 180°. Следовательно, она не коррелированна с сигналом и представляет собой структурную помеху, которая отфильтровывается в полосовых фильтрах 31 и 32.

Вышеизложенное преимущество предлагаемого устройства широкополосной радиосвязи может позволить реализовать асинхронно-адресные системы связи с кодовым разделением каналов и большой динамикой входных сигналов (60-80 дБ).

Предлагаемое устройство позволяет значительно повысить помехозащищенность систем связи в условиях постановки большинства из используемых в настоящее время преднамеренных помех (структурных, ретрансляционных, гармонических и т.д.).

Формула изобретения

Устройство широкополосной радиосвязи, содержащее в передатчике генератор несущей и тактовой частот (НТЧ), первый выход которого подключен к одному из входов сумматора через последовательно соединенные первый формирователь ортогональной псевдослучайной последовательности (ОПСП) и первый умножитель, а к другому входу сумматора - через последовательно соединенные первый генератор псевдослучайной последовательности (ПСП) и второй умножитель, второй выход генератора НТЧ подключен ко второму входу первого умножителя через фазовращатель на 90°, а ко второму входу второго умножителя - через фазовый манипулятора, к другим входам первого формирователя ОПСП и первого генератора ПСП подключены соответствующие выходы первого блока фазирования, в приемнике - блок синхронизации, выход которого подключен к первому входу фазового детектора через последовательно соединенные второй формирователь ОПСП, третий умножитель и первый полосовой фильтр, а ко второму входу фазового детектора - через последовательно соединенные второй генератор ПСП, четвертый умножитель и второй полосовой фильтр, к другим входам второго формирователя ОПСП и второго генератора ПСП подключены соответствующие выходы второго блока фазирования, отличающееся тем, что, с целью повышения помехозащищенности, в передатчик введены первый фазовый манипулятор на 90° и первый генератор дополнительной последовательности (ДП), входы которого объединены с соответствующими входами первого формирователя ОПСП, а выход первого генератора ДП подключен к первому входу первого фазового манипулятора на 90°, ко второму входу которого подключен выход сумматора, а в приемник введены последовательно соединенные первый широкополосный фильтр, ограничитель, блок вычитания и второй широкополосный фильтр, а также второй и третий фазовые манипуляторы, второй генератор ДП, два дополнительных умножителя, два дополнительных полосовых фильтра, блок сравнения, дополнительный фазовый детектор и коммутатор, при этом выходы первого и второго широкополосных фильтров подключены к соответствующим входам блока синхронизации и к первым входам соответственно второго и третьего фазовых манипуляторов на 90°, ко вторым входам которых подключен выход второго генератора ДП, выход второго фазового манипулятора на 90° подключен к объединенным другим входам третьего и четвертого умножителей, а выход третьего фазового манипулятора на 90° подключен к объединенным входам первого и второго дополнительных умножителей, к другим входам которых подключены соответственно выход второго формирователя ОПСП и выход второго генератора ПСП, а выходы первого и второго дополнительных умножителей через соответствующие дополнительные полосовые фильтры подключены ко входам дополнительного фазового детектора, выход которого и выход фазового детектора подключены к соответствующим входам коммутатора, к управляющему входу которого подключены выход первого полосового фильтра и выход первого дополнительного полосового фильтра через блок сравнения, причем выход первого широкополосного фильтра подключен к другому входу блока вычитания, а ко входам второго генератора ДП подключены дополнительный выход блока синхронизации и соответствующий выход блока фазирования.

РИСУНКИ