Радиосистема охраны на шумоподобных сигналах

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для охраны различных объектов. Предлагаемая радиосистема охраны позволяет увеличить радиус действия, повысить помехоустойчивость, снизить уровень собственных помех и паразитных излучений, а также степень уязвимости системы в целом. В системе в качестве рабочих сигналов применяются шумоподобные сигналы, обладающие рядом замечательных свойств, облегчающих их обработку. Приемная часть радиосистемы охраны содержит устройство на поверхностных акустических волнах для оптимальной обработки шумоподобных сигналов. 5 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для охраны различных народнохозяйственных объектов.

В отечественной и зарубежной практике известны [1-5] различные радиотехнические устройства и системы охраны.

Однако они обладают недостатками: легко уязвимы и доступны нарушителю из-за простоты алгоритма их функционирования; имеют низкую помехоустойчивость и высокий уровень собственных помех и паразитных излучений; они не обладают тонально-избирательными свойствами, позволяющими исключить ложное срабатывание системы; многие из этих систем не соответствуют требованиям международных служб стандартизации и сертификации.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является выбранная в качестве прототипа радиосистема охраны на импульсно-манипулированных шифросигналах С1] , структурная схема которой приведена на фиг. 3. Передающая часть этой системы содержит сторожевой узел (СУ), в состав которого входит электрофизический преобразователь (ЭФП) и малошумящий усилитель (МУ), шифратор (Ш), формирователь импульсно-манипулированного шифросигнала (ФИМЮ) и усилитель мощности ВЧ (УМ). В состав приемной части системы входит цепь фильтрации и согласования (ВЦ), полосовой усилитель (УП), дешифратор (ДШ) и блок тревожной сигнализации (БТС).

Принцип действия прототипа поясняют временные диаграммы, приведенные на фиг. 4. При срабатывании сторожевого узла СУ (фиг. 4а) сигнал от ЭФП через МУ включает в работу шифратор (Ш). Последний формирует последовательность прямоугольных импульсов (фиг. 4б), чередующихся в соответствии с установленной в шифраторе шифрокомбинацией. Для каждого охраняемого объекта устанавливается своя шифрокомбинация. Последовательность импульсов о выхода Ш поступает в ФИМШС. В состав ФИМПС входит высокочастотный кварцевый генератор несущих колебаний. На выходе ФИМШС формируется импульсно-манипулированный шифрорадиосигнал (ИМШС на фиг. 4в), который после усиления УМ излучается в эфир.

Принцип построения шифрорадиосигнала состоит в том, что время, отведенное на передачу, разбивают на равные интервалы-знакоместа, каждому из которых соответствует или "0", или "1".

Если за "1" принять наличие высокочастотного излучения в антенне передатчика, а за "0" - его отсутствие, то такой шифросигнал будет иметь вид короткого радиотелеграфного сообщения.

На приемной стороне шифрорадиосигнал с эфира через ВЦ, выполняющего роль полосового фильтра и устройства согласования с антенной, поступает на вход УП.

Усиленный УП сигнал затем поступает на вход ДШ, где в случае совпадения его структуры со структурой шифрокомбинации, установленной в ДШ в соответствии с номером охраняемого объекта, вырабатывается сигнал запуска соответствующего БТС.

Прототип обладает недостатками: 1. Имеет ограниченный (до 1 км) радиус действия, связанный с необходимостью соблюдения требований электромагнитной совместимости радиосистем.

2. Обладает высоким уровнем собственных помех и паразитных излучений, обусловленных сравнительно высокой по отношению к заявляемому варианту мощностью сигнала, излучаемого в эфир и наличием коммутационных цепей в составе системы.

3. Обладает низкой помехоустойчивостью из-за отсутствия в его составе устройств согласованной фильтрации.

4. Рабочий радиосигнал (ИМШС) заведомо не наделен свойствами, облегчающими его обработку и выделения из помех. Целью изобретения является: увеличение радиуса действия системы; повышение е помехоустойчивости; снижение уровня собственных помех и паразитных излучений, а также степени уязвимости радиосистемы охраны.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемой радиосистеме охраны в качестве рабочих (полезных) сигналов вместо импульсно-манипулированных шифросигналов, используемых в прототипе, применяются шифроподобные сигналы (ШПС), а в составе при мной части системы - устройство на поверхностных акустических волнах (ПАВ) для их оптимальной обработки.

Сопоставленный с прототипом анализ показывает, что предлагаемая система отличается наличием двух существенно новых признаков:
1. Применение ШПС в качестве рабочих.

2. Использование в составе приемной части системы устройства на ПАВ для оптимальной обработки ШПС.

Использование ШПС обусловлено, в основном, благодаря таким свойствам этих сигналов как [6-8]:
широкополосность;
высокая энергетическая скрытность, обусловленная рассредоточением энергии в широкой полосе частот;
высокая структурная скрытность за счет многообразия кодовых комбинаций и видов модуляции (манипуляции);
возможность их селекции по форме (по структуре сигнала);
возможность свертки (сжатия) протяженного во времени и частоте сигнала в очень узкий импульс в приемном устройстве благодаря хорошим корреляционным свойствам этих сигналов.

Перечисленные свойства позволяют снизить степень уязвимости радиосистемы охраны на ШПС.

Рассредоточенность энергии в широкой полосе частот (т.е. малая спектральная плотность), а также возможность селекции ШПС по форме, позволяет легко решить вопрос электромагнитной совместимости заявляемой системы с другими традиционными радиосистемами.

Для обработки ШПС в приемной части системы применяется устройство на поверхностных акустических волнах (ПАВ) для оптимальной обработки (согласованной фильтрации).

Потенциальные возможности устройств на ПАВ при реализации требуемых функциональных операций обработки радиосигналов проявились благодаря таким замечательным свойствам ПАВ как их уникальная "тихоходность" (скорость распространения ПАВ примерно на пять порядков ниже скорости электромагнитных волн), сравнительно низкие потери энергии при их распространении по поверхности рабочего звукопровода (кристалла), не дисперсионность, легкая возбуждаемость в широком диапазоне частот (0,01-1 Ггц), возможность управления ПАВ в любой точке на пути е распространения и точное соответствие временного сигнала пространственному.

Устройства на ПАВ имеют значительно меньшие размеры и вес по сравнению с электромагнитными. Кроме того, они располагаются на поверхности кристалла - подложки, что делает их более прочными и надежными. Технология их производства совместима с технологией изготовления интегральных схем. Это позволяет обеспечивать идентичность характеристик устройств на ПАВ при тиражировании, что исключает необходимость их настройки в процессе изготовления.

На фиг. 1 приведена структурная схема радиосистемы охраны на шумоподобных сигналах (РСО на ШПС). Она состоит из радиопередающей и радиоприемной частей.

Радиопередающая часть содержит сторожевой узел СУ, в состав которого входит электрофизический преобразователь (ЭФП) - механический (МД), акустический (АД) или фотодатчики (ФД) - и малошумящий избирательный усилитель (МИУ), шифратор (Ш), формирователь шумоподобного сигнала (ПШС), а также усилитель мощности (УМ).

В состав приемной части входит цепь фильтрации и согласования (ВЦ), полосовой усилитель (УП), устройство на ПАВ для оптимальной обработки шумоподобного сигнала (УООС на ПАВ) и блок тревожной сигнализации (БТС).

Временные диаграммы, иллюстрирующие принцип работы РСО на ШПС, приведены на фиг. 2.

Система функционирует следующим образом. ЭФП, например, акустический датчик микрофонного типа преобразовывает звуковой сигнал (шумы проникновения на объект) в электрический. Преобразованный сигнал (фиг. 2a) поступает на вход МИУ, выполняющего одновременно функции анализатору спектра и усилителя сигнала в слышимом диапазоне частот. Если в составе спектра входного сигнала присутствуют гармоники, соответствующие звуковым сигналам, характерным проникновению посторонних лиц на охраняемую территорию или к объектам, то МИУ усиливает их (фиг. 2б) и передает на вход шифратора (Ш), в качестве которого используется генератор псевдослучайной последовательности (ГПСП) [6].

Последовательность импульсов с выхода Ш поступает на ФШПС. "Механизм" формирования ШПС поясняют временные диаграммы, приведенные на фиг. 5 [6 и 7] .

Среди известных ШПС наиболее широкое распространение вследствие большого ансамбля, простоты формирования и хороших корреляционных свойств, находят пcевдослучайно-фазоманипулированные сигналы (ПСФМнС), получаемые в результате фазовой манипуляции гармонических колебаний несущей частоты (Гц) по закону псевдослучайной последовательности (ПСП) [6-8].

Спектрально-корреляционные характеристики таких сигналов имеют следующие особенности:
а) пик нормированной автокорреляционной функции (АКФ) (фиг. 2д) превышает боковые выбросы (лепестки) в N раз, где N - база сигнала или длина кода ПСП;
б) ширина (длительность) пика АКФ T_п>=2 _c (фиг. 2д), где _c - длительность элемента (символа) ПСП;
в) огибающая энергетического спектра мало зависит от кода ПСП. 90% энергии сигнала сосредоточено в главном "лепестке" спектра.

Благодаря таким свойствам протяженный во времени (t=N· A _c) и частоте и "утопленный" в шумах ПСФМнС может быть выделен на приемной стороне путем сжатия во времени в узкий радиоимпульс T_u=2 _c (фиг. 2д), сосредоточив в нем около 90% всей энергии полезного сигнала.

Поэтому здесь рассматривается случай формирования псевдослучайно-фазоманипулированного шумоподобного радиосигнала с помощью бинарного ("0" - ) фазового манипулятора [6], изменение фазы несущего колебания на 180^o в котором происходит в момент смены символа "1" или "0" (фиг. 5, 6) в псевдослучайной последовательности на противоположный "0" или "1", соответственно (фиг. 5в).

Сформированный ШПС усиливается усилителем мощности УМ и излучается в эфир в течении 3-5 с (B _п на фиг. 2в).

На приемной стороне ШПС через входную цепь фильтрации и согласования (ВЦ) и полосовой усилитель (УП) поступает на УООС на ПАВ.

УООС на ПАВ осуществляет оптимальную обработку (сжатие во времени) ШПС, в результате, в момент окончания действия ШПС с эфира на выходе УООС на ПАВ появляется корреляционный пик (фиг. 2д) длительностью Т_п, равной длительности двух символов псевдослучайной последовательности (Т_п=2 B _с), в котором заключено 90% энергии входного полезного сигнала.

В момент достижения отклика на выходе УООС на ПАВ пикового значения срабатывается БТС, воспроизводящий короткие тревожные тональные звуки, чередующиеся с паузами такой же длительности (фиг. 2е).

Эксплуатация предлагаемой радиосистемы охраны на шумоподобных сигналах показала:
1. Радиус действия системы при выходной мощности передатчика P_вых = 1 Вт составляет 20-25 км (против 1 км. для прототипа) и может быть увеличен путем выбора параметров шумоподобного радиосигнала и улучшением характеристик УООС на ПАВ.

2. Система работает бесперебойно при действии на входе приемника помех в виде белого шума Р_ш=250 МВт и излучений различных радиостанций в рабочей полосе частот со средней мощностью 40-45 Вт. При этом расстояния от приемной антенны до этих радиостанций составляют 1-5 км.

3. Уровень собственных помех и паразитных излучений системы не превышает 50 МВт.

Источники информации
1. Виноградов Ю. Радио, 1994, N 3, с. 30.

2. Иванов Б. Радио, 1993, N 6, с. 37.

3. Охранный комплект "Застава-001" Радио. 1994, N 6, с. 36.

4. Рейке Ч.Д. 55 электронных схем сигнализации/Пер. с англ. -М.: Энергоатомиздат. 1991. c. 112.

5. Алексеев Д. Радио, 1994, N 7, с. 26.

6. Петрова Н.Т., Размахнин М.К. Системы связи с шумоподобными сигналами. -М.: Сов. Радио, 1969.

7. Диксон P.К. Широкополосные системы/Пер. с англ. -М.: Связь, 1979. c. 502.

8. Варакин Л.Е. Теория систем сигналов. -М.: Сов. Радио, 1978, c. 304.

Формула изобретения

Радиосистема охраны на шумоподобных сигналах, передающая часть которой состоит из последовательно соединенных датчика сигнала несанкционированного доступа на объект, шифратора, формирователя рабочего радиосигнала и усилителя мощности, а приемная часть входной цепи фильтрации и согласования, полосового усилителя и блока тревожной сигнализации, соедниненных между собой последовательно, отличающаяся тем, что в радиосистеме в качестве рабочего сигнала применяется шумоподобный сигнал, а в приемную часть между полосовым усилителем и блоком тревожной сигнализации включен блок на поверхностных акустических волнах для оптимальной обработки шумоподобного сигнала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5