Радиолиния связи с пространственным разделением сигнала

 

Радиолиния связи с пространственным разделением сигнала относится к области передачи дискретной информации и может быть использована в радиоканалах для осуществления передачи информации при связи с движущимися объектами, а также в обратных дуплексных радиоканалах управления и пакетных радиосетях оперативно-командной связи в незащищенных районах. Достигаемый технический результат - повышение помехозащищенности и скрытности передаваемой информации. Указанная радиолиния связи содержит генератор колебаний несущей и тактовой частот, генератор псевдослучайной последовательности (ГПП), формирователь ортогональной ПСП (ФОПП), два устройства фазирования, четыре умножителя, два фазовращателя на 90°, фазовый манипулятор, разветвитель мощности, противофазный усилитель, первый и второй облучатели передающей антенны, фазовый детектор, первый и второй возбудители приемной антенны, устройство поворота поляризации, сумматор, вычитающее устройство, узкополосный низкочастотный фильтр, амплитудный ограничитель, синхронный детектор, первый и второй корреляторы, смеситель и гетеродин. 3 ил.

Предлагаемое устройство относится к области передачи дискретной информации и может быть использовано в радиоканалах для осуществления передачи информации при связи с движущимися объектами, а также в обратных дуплексных радиоканалах управления и пакетных радиосетях оперативно-командной связи в незащищенных районах.

Известны системы радиосвязи с шумоподобными сигналами, например по а.с. N 651492, которое служит для передачи дискретной информации.

Основным недостатком этой системы является низкая помехоустойчивость в условиях воздействия помех с сосредоточенным спектром, который обусловлен неоптимальностью алгоритма обработки сигнала по отношению к таким помехам.

Известна также широкополосная система связи с ШПС (см. Л.Е.Варакин "Системы связи с шумоподобными сигналами", М., "P и C", 1985 г., стр 16, рис. 1.7), предназначенная для передачи дискретных сообщений. Так как в данное устройство входит согласованный фильтр, то с помощью этого устройства практически возможен только некогерентный прием ортогональных сигналов, что приводит к недостаточной помехоустойчивости информации, поскольку более высокая помехоустойчивость обеспечивается при когерентном приеме и использовании ортогональных сигналов. Кроме того, практическая реализация согласованного фильтра при больших базах сигнала представляет собой сложную техническую задачу.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является "Аппаратура для передачи дискретной информации" по а.с. N 300946, взятое за прототип.

Функциональная схема устройства-прототипа приведена на фиг. 1, где введены следующие обозначения: 1 - генератор колебаний несущей и тактовой частот; 2 - формирователь ортогональной псевдослучайной последовательности; 3 - генератор псевдослучайной последовательности; 4 - устройство фазирования; 5, 6 - первый и второй умножителя; 7 - фазовращатель на 90^o; 8 - фазовый манипулятор; 9 - схема сложения; 10, 11 - первый и второй перемножители;
12 - формирователь ортогональной псевдослучайной последовательности;
13 - генератор опорной псевдослучайной последовательности;
14 - устройство фазирования;
15 - устройство синхронизации;
16, 17 - первый и второй полосовые фильтры;
18 - фазовый детектор.

Устройство-прототип имеет следующие функциональные связи. На передающей стороне - генератор несущей и тактовой частот - ГНТЧ1 одним выходом соединен с первыми входами формирователя ортогональной ПСП - ФОПП2 и генератора псевдослучайной последовательности - ГПП3, вторые входы которых соединены с выходами блока фазирования 4, выходы ФОПП2 и ГПП3 соответственно через первый 5 и второй 6 умножители соединены со входами схемы сложения 9, второй выход ГНТЧ1 через фазовращатель 7 на 90^o соединен со вторым входом первого умножителя 5, а через фазовый манипулятор 8 - со вторым входом второго умножителя 6; на приемной стороне - вход приемника соединен со входом синхронизатора 15 и входами первого 10 и второго 11 перемножителей, выход синхронизатора 15 соединен со входами ФОПП12 и ГОПП13, вторые входы которых соединены с выходами блока 14 фазирования, выходы первого 10 и второго 11 перемножителей соответственно через первый 16 и второй 17 полосовые фильтры присоединены ко входам фазового детектора 18, выход ФОПП12 соединен со вторым входом первого перемножителя 10, а выход ГОПП13 соединен со вторым входом второго перемножителя 11.

Работает устройство-прототип следующим образом.

В передатчике ГНТЧ1 формирует две частоты: тактовую для ФОПП2 и ГПП3 и несущую частоту сигнала. Тактовая частота с выхода ГНТЧ1 поступает на входы ФОПП2 и ГПП3, которые вырабатывают двоичные псевдослучайные последовательности - ПСП. Эти ПСП представляют собой совокупности биполярных импульсов постоянного тока одинаковой величины длительности, которая определяется тактовой частотой. Законы образования ПСП выбираются такими, чтобы обеспечить малую взаимную корреляцию между псевдослучайными последовательностями ФОПП2 и ГПП3 при любом фазовом сдвиге между ними (квазиортогональные двоичные ПСП). Это условие необходимо для их эффективного разделения и подавления эхо-сигналов в приемнике.

Устройство фазирования 4 устанавливает сдвиговые регистры ФОПП2 и ГПП3 в одинаковое начальное состояние, что обеспечивает связь по фазе их псевдослучайных последовательностей. Устройство фазирования 4 состоит из дешифраторов начальных состояний ФОПП2 и ГПП3 и импульсной схемы фазирования, которая обеспечивает совмещение их начальных состояний по фазе. Двоичная ПСП с выхода ФОПП2 поступает на умножитель 5. На второй вход этого умножителя через фазовращатель на 90^o 7 с выхода ГНТЧ1 поступает колебание несущей частоты, которое в умножителе 5 умножается на двоичную ПСП. В результате на выходе умножителя 5 образуется сигнал, представляющий собой колебание несущей частоты с постоянной амплитудой, модулированное по фазе на 180^o по закону двоичной ПСП.

Двоичная ПСП с выхода ГПП3 поступает на умножитель 6, на второй вход которого через фазовый манипулятор 8 с выхода ГНТЧ1 поступает колебание несущей частоты. На выходе умножителя 6 образуется сигнал, представляющий собой колебание несущей частоты с постоянной амплитудой, манипулированное по фазе на 180^o по закону двоичной ПСП. В зависимости от знака передаваемой информации фазовый манипулятор 8 осуществляет поворот фазы несущей частоты сигнала на выходе умножителя 6 относительно несущей частоты на выходе умножителя 5 на 0 или 180^o. Таким образом, в зависимости от знака передаваемой информации несущие частоты этих сигналов сдвинуты между собой по фазе.

С выходов умножителей 5 и 6 сигнал поступает на схему сложения 9, которая образует выходной сигнал передатчика, представляющий собой колебание несущей частоты с постоянной амплитудой, манипулированное по фазе на 0^o, 90^o, 180^o и 270^o, причем моменты манипуляции и порядок следования этих величин фаз определяются соотношением знаков элементов двоичных ПСП ФОПП2 и ГПП3 и передаваемой разностью фаз.

Со схемы сложения 9 сигнал поступает в высокочастотный передатчик и излучается в эфир.

Принимаемый сигнал с выхода высокочастотного приемника поступает на умножители 10 и 11, аналогичные умножителям 5 и 6 передатчика. В умножителе 10 принимаемый сигнал умножается на двоичную ПСП, которую вырабатывает ФОПП12, аналогичный ФОПП2 передатчика. Сигнал с выхода умножителя 10 поступает на полосовой фильтр 16, который выделяет колебание несущей частоты сигнала. В умножителе 11 принимаемый сигнал умножается на двоичную ПСП, которую формирует ГОПП13, аналогичный ГПП3 передатчика. Сигнал с выхода умножителя 11 поступает на полосовой фильтр 17, который выделяет манипулированное по фазе колебание несущей частоты сигнала.

Устройство фазирования 14, аналогичное устройству фазирования 4 передатчика, обеспечивает связь по фазе выходных последовательностей ФОПП12 и ГОПП13 соответствующие связи по фазе последовательностей ФОПП2 и ГПП3 передатчика. Двоичные ПСП, вырабатываемые генераторами в приемнике, синхронизируются с двоичными ПСП принимаемого сигнала с помощью устройства синхронизации 15. В качестве устройства синхронизации 15 могут быть использованы известные устройства, обеспечивающие синхронизм местных сигналов приемника с одним из сильнейших лучей принимаемого многолучевого сигнала на основе анализа функции взаимной корреляции принимаемого и местных сигналов.

Как известно, при использовании широкополосных сигналов может быть обеспечено эффективное подавление мешающих лучей либо сложение нескольких выделенных наиболее сильных лучей, а также подавление сосредоточенных помех.

Колебание несущей частоты с выходов полосовых фильтров 16 и 17 поступает на фазовый детектор 18, который измеряет информационную разность фаз между ними.

Недостатком устройства-прототипа является низкая помехозащищенность, так как информационный сигнал передается на одной поляризации и противник легко может создать помеху и подавить эту информацию.

Для повышения помехозащищенности в устройство, содержащее на передающий стороне генератор несущей и тактовой частот (ГНТЧ), один из выходов которого соединен с первыми входами ФОПП и ГПП соответственно, вторые входы которых соединены с выходами блока фазирования, выход ФОПП соединен с первым входом первого умножителя, второй вход которого соединен с выходом фазовращателя на 90^o, выход ГПП присоединен к первому входу второго умножителя, второй вход которого соединен с выходом фазового манипулятора, входы фазовращателя на 90^o и фазоманипулятора соединены между собой и со вторым выходом ГНТЧ; на приемной стороне устройство фазирования и фазовый детектор, отличающееся тем, что в него введены на передающей стороне разветвитель мощности, вход которого соединен с выходом второго умножителя, третий и четвертый умножители, первые входы которых соединены соответственно с двумя выходами разветвителя мощности, а вторые входы этих умножителей присоединены соответственно к двум выходам противофазного усилителя, вход которого соединен с выходом первого умножителя, выходы третьего и четвертого умножителей соединены соответственно с первым и вторым облучателями передающей антенны; на приемной стороне первый и второй возбудители приемной антенны.

Они присоединены соответственно к двум входам устройства поворота поляризации, два выхода которого соединены соответственно с двумя входами сумматора и двумя входами вычитающего устройства, выход сумматора через амплитудный ограничитель соединен со входами синхронного детектора и одним из входов второго коррелятора, выход синхронного детектора соединен с первым входом первого коррелятора и через узкополосный низкочастотный фильтр с управляющим входом устройства поворота поляризации, вторые входы первого и второго корреляторов присоединены соответственно к выходам устройства фазирования, выход первого коррелятора соединен с первым входом смесителя, второй вход которого присоединен к выходу гетеродина, а выход смесителя соединен с первым входом фазового детектора, выход второго коррелятора через фазовращатель на 90^o присоединен ко второму входу фазового детектора, второй выход второго коррелятора соединен с третьим входом первого коррелятора.

На фиг. 2 приведена функциональная схема предлагаемого устройства, где введены обозначения:
1 - генератор колебаний несущей и тактовой частот;
2 - формирователь ортогональной ПСП;
3 - генератор ПСП;
4 - устройство фазирования;
5, 6 - первый и второй умножители;
7 - фазовращатель на 90^o;
8 - фазовый манипулятор;
9 - разветвитель мощности;
10, 12 - третий и четвертый умножители;
11 - противофазный усилитель;
13, 15 - первый и второй облучатели передающей антенны;
14 - устройство фазирования;
16 - передающая антенна;
17 - приемная антенна;
18 - фазовый детектор;
19, 20 - первый и второй возбудители приемной антенны;
21 - устройство поворота поляризации;
22 - сумматор;
23 - вычитающее устройство;
24 - узкополосный низкочастотный фильтр;
25 - амплитудный ограничитель;
26 - синхронный детектор;
27, 28 - первый и второй корреляторы;
29 - смеситель;
30 - гетеродин;
31 - фазовращатель на 90^o.

Предлагаемое устройство имеет следующие функциональные связи.

Передающее устройство - генератор несущей и тактовой частот - ГНТЧ1 одним выходом соединен с первыми входами формирователя ортогональной ПСП - ФОПП2 и генератора ПСП - ГПП3, вторые входы которых соединены с выходами блока фазирования 4, выход ФОПП2 соединен с одним из выходов первого умножителя 5, второй вход которого присоединен к выходу фазовращателя 7 на 90^o, вход которого соединен с одним из входов фазового манипулятора 8 и одним из выходов ГНТЧ1, выход фазового манипулятора 8 соединен с одним из входов второго умножителя 6, второй вход которого присоединен к выходу ГПП3, а выход второго умножителя соединен со входом разветвителя мощности 9, первый выход которого через третий умножитель 10 присоединен к первому облучателю 13, а второй выход разветвителя мощности через четвертый умножитель 12 присоединен ко второму облучателю 15 передающей антенны 16, вторые входы третьего 10 и четвертого 12 умножителей соединены соответственно с первым и вторым выходами противофазного усилителя 11, вход которого соединен с выходом первого умножителя 5.

На приемной стороне первый 19 и второй 20 возбудители приемной антенны 17 соединены соответственно с двумя входами устройства поворота поляризации 21, два выхода которого присоединены соответственно к двум входам сумматора 22 и двум входам вычитающего устройства 23, выход сумматора 22 через амплитудный ограничитель 25 соединен со входом второго коррелятора 28 и одним из входов синхронного детектора 26, второй вход которого соединен с выходом вычитающего устройства 23, выход синхронного детектора 26 соединен со входом первого коррелятора 27 и через узкополосный низкочастотный фильтр 24 соединен с управляющим входом устройства поворота поляризации 21, вторые входы первого 27 и второго 28 корреляторов соединены соответственно с первым и вторым выходами устройства фазирования 14, выход первого коррелятора 27 через смеситель 29 соединен с одним из входов фазового детектора 18, а выход второго коррелятора 28 через фазовращатель на 90^o 31 соединен со вторым входом фазового детектора 18, второй вход смесителя 29 соединен с выходом гетеродина 30. Второй выход второго коррелятора 28 соединен с третьим входом первого коррелятора 27.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

В передатчике ГНТЧ1 формирует две частоты: тактовую - для ФОПП2 и ГПП3, которые вырабатывают двоичные ПСП. Эти ПСП представляют собой совокупности биполярных импульсов постоянного тока одинаковой величины и длительности, которая определяется тактовой частотой.

Законы образования ПСП выбираются такими, чтобы обеспечить малую взаимную корреляцию между псевдослучайными последовательностями ФОПП2 и ГПП3 при любом фазовом сдвиге между ними (квазиортогональные двоичные ПСП). Это условие необходимо для их эффективного разделения и подавления эхо-сигналов в приемнике. Устройство фазирования 4 устанавливает сдвиговые регистры ФОПП2 и ГПП3 в одинаковое начальное состояние, что обеспечивает связь по фазе их псевдослучайных последовательностей. Устройство фазирования 4 состоит из дешифраторов начальных состояний ФОПП2 и ГПП3 и импульсной схемы фазирования, которая обеспечивает совмещение их начальных состояний по фазе.

Двоичная ПСП с выхода ФОПП2 поступает на умножитель 5. На второй вход этого умножителя через фазовращатель на 90^o 7 с выхода ГНТЧ1 поступает колебание несущей частоты, которое в умножителе 5 умножается на двоичную ПСП. В результате на выходе умножителя 5 образуется сигнал, представляющий собой колебание несущей частоты с постоянной амплитудой, манипулированное по фазе на 180^o по закону двоичной ПСП.

Двоичная информация с выхода ГПП3 поступает на умножитель 6, на второй вход которого через фазовый манипулятор 8 с выхода ГНТЧ1 поступает колебание несущей частоты. На выходе умножителя 6 образуется сигнал, представляющий собой колебание несущей частоты с постоянной амплитудой, манипулированное по фазе на 180^o по закону двоичной ПСП. В зависимости от знака передаваемой информации фазовый манипулятор 8 осуществляют поворот фазы несущей частоты на выходе умножителя 6 относительно несущей частоты сигнала на выходе умножителя 5 на 0 или 180^o. Таким образом, в зависимости от знака передаваемой информации несущие частоты этих сигналов сдвинуты между собой по фазе.

С выхода умножителя 6 сигнал подается на разветвитель мощности 9, где осуществляется разделение его мощности пополам и каждая половина выдается соответственно по двум выходам на входы третьего 10 и четвертого 12 умножителей.

С выхода первого умножителя 5 сигнал поступает на противофазный усилитель 11, с двух выходов которого снимается противофазный сигнал и соответственно подается на вторые входы третьего 10 и четвертого 12 умножителей.

С выхода третьего умножителя 10 сигнал поступает на первый облучатель 13, а с выхода четвертого умножителя 12 - на второй облучатель 15 передающей антенны 16. Передающая антенна может быть реализована в виде зеркальной антенны с двумя облучателями или в виде вибраторных антенн с соответствующими возбудителями. Облучатели 13, 15 создают поля с ортогональной одно относительно другого линейкой или круговой поляризацией.

Сигналы, которые излучает передающая антенна 16, принимаются приемной антенной 17. Ее облучатели (возбудители) 19, 20 имеют также ортогональную линейную или круговую поляризацию. Приемная антенна 17 и ее возбудители 19, 20 выполнены аналогично передающими.

Принятый сигнал через устройство поворота поляризации 21 поступает на два входа сумматора 22 и два входа вычитающего устройства 23. С выхода сумматора 22 сигнал поступает на амплитудный ограничитель 25, где производится выравнивание амплитуд, и далее на второй коррелятор 28 и синхронный детектор 26 в качестве опорного сигнала. На сигнальный вход синхронного детектора 26 поступает сигнал с выхода вычитающего устройства 23. Сигнал с синхронного детектора содержит постоянную составляющую, знак которой зависит от знака угла рассогласования (угол между осями поляризации приемной антенны и лучом приходящего сигнала).

В данном случае эта составляющая равна
U_≈ = -KV₀sinα,
где K - коэффициент передачи синхронного детектора;
V₀ - эффективная амплитуда ограниченного сигнала.

Эта постоянная составляющая выделяется с помощью низкочастотного узкополосного фильтра 24 и подается на устройство 21 управления положением осей поляризации возбудителей 19, 20, которое повернет эти возбудители так, что угол α станет равным нулю.

С выхода амплитудного ограничителя 25 сигнал поступает на второй коррелятор, а с выхода синхронного детектора 26 - на первый коррелятор 27.

Вариант реализации первого 27 и второго 28 корреляторов приведен на фиг. 3, где обозначено:
271 - генератор ПСП (ГПСП);
272 - фильтр нижних частот (ФНЧ);
273 - перемножитель;
274 - интегратор;
281 - перемножитель;
282 - интегратор;
283 - решающая схема;
284 - ГПСП;
285 - формирователь порога;
286 - блок синхронизации.

Сигнал с амплитудного ограничителя 25 поступает на перемножитель 281, на второй вход которого поступает опорный сигнал с ГПСП 284 и с перемножителя на интегратор 282 и решающую схему 283 и формирователь порога 285, а с выхода решающей схемы 283 сигнал поступает на блок синхронизации 286. В случае отсутствия синхронизма генератор опорной ПСП 284 по команде с блока синхронизации 286 перестраивает фазу до тех пор, пока коррелятор не обнаружит сигнал и блок синхронизации даст команду на остановку ГПСП 284. Блок фазирования 14 устанавливает начальную фазу генераторов 284 и 271.

Сигнал с выхода синхронного детектора 26 через ФНЧ 272, полоса пропускания которого определяется полосой ПСП на видеочастоте, поступает на перемножитель 273, на второй вход которого подается опорный сигнал с ГПСП 271 и далее на интегратор 274. Сигнал с этого интегратора на видеочастоте поступает на преобразователь 29 (фиг. 2), состоящий из гетеродина 30, смесителя 291 (фиг. 3) и полосового фильтра 292. В этом смесителе сигнал переносится на радиочастоту и подается на один из входов фазового детектора 18.

Сигнал с выхода второго коррелятора 28 через фазовращатель на 90^o поступает на второй вход фазового детектора 18, с выхода которого снимается передаваемая информация.

Таким образом, при передаче информации двумя лучами ортогонально один относительно другого линейной или круговой поляризаций тем самым в значительной степени повышается помехозащищенность передаваемой информации, а также и скрытность ее.

Формула изобретения

Радиолиния связи с пространственным разделением сигнала, содержащая на передающей стороне генератор несущей и тактовой частот (ГНТЧ), один из выходов которого соединен с первыми входами формирователя ортогональной ПСП (ФОПП) и генератора ПСП (ГПП) соответственно, вторые входы которых соединены с выходами блока фазирования, выход ФОПП соединен с первым входом первого умножителя, второй вход которого соединен с выходом фазовращателя на 90^o, выход ГПП присоединен к первому входу второго умножителя, второй вход которого соединен с выходом фазового манипулятора, входы фазовращателя на 90^o и фазового манипулятора соединены между собой и со вторым выходом ГНТЧ, на приемной стороне - устройство фазирования и фазовый детектор, отличающаяся тем, что введены на передающей стороне разветвитель мощности, вход которого соединен с выходом второго умножителя, третий и четвертый умножители, первые входы которых соединены соответственно с двумя выходами разветвителя мощности, а вторые входы этих умножителей присоединены соответственно к двум выходам противофазного усилителя, вход которого соединен с выходом первого умножителя, выходы третьего и четвертого умножителей соединены соответственно с первым и вторым облучателями передающей антенны, на приемной стороне первый и второй возбудители приемной антенны присоединены соответственно к двум входам устройства поворота поляризации, два выхода которого соединены соответственно с двумя входами сумматора и двумя входами вычитающего устройства, выход сумматора через амплитудный ограничитель соединен со входами синхронного детектора и одним из входов второго коррелятора, выход синхронного детектора соединен с первым входом первого коррелятора и через узкополосный низкочастотный фильтр - с управляющим входом устройства поворота поляризации, вторые входы первого и второго корреляторов присоединены соответственно к выходам устройства фазирования, выход первого коррелятора соединен с первым входом смесителя, второй вход которого присоединен к выходу гетеродина, а выход смесителя соединен с первым входом фазового детектора, выход второго коррелятора через фазовращатель на 90^o присоединен ко второму входу фазового детектора, второй выход второго коррелятора соединен с третьим входом первого коррелятора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3