Система связи с использованием широкополосных пространственно-временных сигналов

 

Использование: в радиотехнике, в системах радиорелейной и спутниковой связи. Сущность изобретения: система содержит передающий и приемный управляемые коммутаторы, формирователи передающей и приемной пространственной псевдослучайной последовательности, а также передающая и приемная антенные решетки выполнены из 2N+1 антенных элементов различной электрической длины, причем разница в электрической длине соседних элементов и расстояние между ними составляют половину рабочей длины волны, а суммарная электрическая длина пар соответствующих передающих и приемных элементов одинакова. 3 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в области радиосвязи.

Известны системы связи с использованием широкополосных сигналов. В таких системах часть пропускной способности расходуется на достижение определенного значения коэффициента помехозащиты. Возникают противоречия между обеспечением заданной пропускной способности и выполнением требований по помехозащищенности радиолиний. Для преодоления этого противоречия используются различные методы пространственной обработки, в частности антенные устройства с высоким коэффициентом усиления.

Недостатком таких систем связи является то, что современными средствами радиоразведки все же обеспечивается электромагнитная доступность (ЭМД) к ним главным образом по основному и боковым лепесткам диаграммы направленности с больших расстояний.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой системе является выбранная в качестве прототипа широкополосная цифровая система связи, содержащая источник информации, фазовый модулятор (ФМ), первый вход которого соединен с выходом источника информации, генератор фазоманипулированной псевдослучайной последовательности (ФМ ПСП), выход которого соединен с вторым входом фазового модулятора, синхронизатор, первый выход которого соединен с входом генератора ФМ ПСП, модулятор, первый вход которого соединен с выходом фазового модулятора, генератор несущей частоты (ГНЧ), выход которого соединен с вторым входом модулятора, усилитель мощности (УМ), вход которого соединен с выходом модулятора, передающую антенну, вход которой соединен с выходом УМ, приемную антенну, смеситель, первый вход которого соединен с выходом приемной антенны, гетеродин, выход которого соединен с вторым входом смесителя, усилитель промежуточной частоты (УПЧ), вход которого соединен с выходом смесителя, согласованный фильтр (СФ), вход которого соединен с выходом УПЧ, приемный синхронизатор, вход которого соединен с выходом СФ, а первый выход - с входом гетеродина, решающее устройство (РУ), первый вход которого соединен с вторым выходом приемного синхронизатора, а второй вход - с выходом СФ, получатель информации, вход которого соединен с выходом РУ.

Недостатком известной системы является следующее: повышение степени помехозащищенности системы и снижение ЭМД к ней возможны при увеличении базы применяемых широкополосных сигналов (ШПС), а это однозначно приводит к снижению информационной пропускной способности при условии сохранения линейной скорости постоянной.

Цель изобретения - повышение помехозащищенности системы связи и снижение ЭМД к ней при сохранении заданной пропускной способности за счет дополнительной пространственно-фазовой манипуляции ШПС.

Указанная цель достигается тем, что в системе связи с использованием ШПС, содержащей источник информации, фазовый модулятор, первый вход которого соединен с выходом источника информации, генератор ФМ ПСП, выход которого соединен с вторым входом фазового модулятора, синхронизатор, первый вход которого соединен с входом генератора ФМ ПСП, модулятор, первый вход которого соединен с выходом фазового модулятора, генератор несущей частоты, выход которого соединен с вторым входом модулятора, усилитель мощности, вход которого соединен с выходом модулятора, передающую антенну, вход которой соединен с выходом усилителя мощности, приемную антенну, смеситель, первый вход которого соединен с выходом приемной антенны, гетеродин, выход которого соединен с вторым входом смесителя, усилитель промежуточной частоты, вход которого соединен с выходом смесителя, согласованный фильтр, вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, приемный синхронизатор, вход которого соединен с выходом согласованного фильтра, а первый выход -с входом гетеродина, решающее устройство, первый вход которого соединен с вторым выходом приемного синхронизатора, а второй вход - с выходом согласованного фильтра, получатель информации, вход которого соединен с выходом решающего устройства, передающая и приемная антенны выполнены в виде эквидистантных решеток из 2N+1 антенных элементов различной электрической длины, причем разница в электрической длине соседних элементов и расстояние между ними составляет половину средней длины волны рабочего диапазона λ/2, а суммарная электрическая длина пар соответствующих передающих и приемных элементов одинакова, и в систему связи дополнительно введены первый управляемый коммутатор, вход которого соединен с выходом усилителя мощности, а выходы соединены с входами соответствующих АЭ, формирователь передающей пространственной псевдослучайной последовательности, вход которого соединен с вторым выходом синхронизатора, а 2N+1 выходов - с соответствующими входами управляемого коммутатора, второй управляемый коммутатор 2N+1 входов которого соединены с выходами соответствующих приемных антенных элементов, а выход соединен с первым входом смесителя, формирователь приемной пространственной псевдослучайной последовательности, вход которого соединен с третьим выходом приемного синхронизатора, а 2N+1 выходов - с соответствующими входами управляемого коммутатора.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая система отличается наличием новых блоков: первого и второго управляемых коммутаторов, формирователей пространственных ПСП на приемном и передающем концах радиолинии и их связями с соответствующими блоками схемы и структурой построения передающей и приемной антенны.

На фиг. 1 представлена структурная схема системы связи с использованием ШПВС; на фиг. 2 - вариант исполнения антенной системы; на фиг. 3 - пример выполнения формирователя пространственной ПСП.

Система связи с использованием ШПВС (фиг. 1) содержит источник 1 информации, фазовый модулятор 2, первый вход которого соединен с выходом ИИ 1, генератор 3 ФМ ПСП, выход которого соединен с вторым входом фазового модулятора 2, синхронизатор 4, первый выход которого соединен с входом генератора 3 ФМ ПСП, модулятор 5, первый вход которого соединен с выходом фазового модулятора 2, генератор 6 несущей частоты, выход которого соединен с вторым входом модулятора 5, усилитель 7 мощности, вход которого соединен с выходом модулятора 5, первый управляемый коммутатор 8, сигнальный вход которого соединен с выходом УМ 7, формирователь 9 пространственной ПСП, вход которого соединен с вторым выходом синхронизатора 4, а каждый из 2N+1 выходов соединен с соответствующими управляющими входами первого управляемого коммутатора 8, передающую антенну 10, выполненную в виде решетки из 2N+1 антенных элементов 10₁. . . 10_2n+1, представляющих собой в общем случае излучатели различной длины l_n, где n - номер антенного элемента (АЭ), причем l₂= l₁+ λ/2; l₃= l₂+ λ/2; . . . , l_n+1= l_n+ λ/2; l_n+2= l_n+1- λ/2= l_n . . . , l_2n+1= l_2n- λ/2= l₁ расстояние между соседними излучателями l= λ/2, где λ- средняя длина волны рабочего диапазона, входы антенных элементов 10₁-10_2n+1 соединены с соответствующими сигнальными выходами управляемого коммутатора 8, приемную антенну 11 выполненную в виде решетки из 2N+1 антенных элементов 11₁. . . 11_2n+1 из волноводных излучателей различной длины l_n, причем l₂= l_2n= l₁- λ/2 l₃= l_2n-1= l₂- λ/2; . . . , l_n+1= l_n- λ/2; l_n+2= l_n+1+ λ/2; . . . , l_2n+1= l_2n+ λ/2, передающая и приемная антенны могут быть реализованы также в виде эквивалентной решетки излучателей, в тракты которой включены линии задержки с величинами задержки τ_n (фиг. 2); второй управляемый коммутатор 12, 2N+1 входов которого соединены с соответствующими выходами АЭ 11₁. . . 11_2n+1, смеситель 14, первый вход которого соединен с выходом второго управляемого коммутатора 12, гетеродин 15, выход которого соединен с вторым входом смесителя 14, усилитель 16 промежуточной частоты (УПЧ), вход которого соединен с выходом смесителя 14, согласованный фильтр (СФ) 18, вход которого соединен с выходом УПЧ 16, приемный синхронизатор 17, вход которого соединен с выходом согласованного фильтра 18, первый выход соединен с входом гетеродина 15, третий выход соединен с входом формирователя 13 пространственной ПСП, решающее устройство (РУ) 19, первый вход которого соединен с выходом СФ 18, а второй вход - с вторым выходом синхронизатора 17, получатель 20 информации, вход которого соединен с выходом решающего устройства 19.

Система работает следующим образом.

Источник 1 информации вырабатывает информационную последовательность двоичных единиц и нулей, которая поступает на вход ФМ 2, на второй вход ФМ 2 поступает фазоманипулированный сигнал от генератора ФМ ПСП 3. Фазоманипулированный сигнал ПСП представляет собой последовательность видеоимпульсов длительностью τ_n= T/k где k - число импульсов, T - длительность информационной посылки. База этого сигнала B= T/τ_n= k. Ширина спектра ФМ ПСП сигнала составляет F= 1/τ_n. Синхронизатор 4 осуществляет управление работой генератора ФМ ПСП путем формирования необходимых сигналов управления и частоты. Информационная ФМ ПСП с выхода ФМ 2 поступает на балансный модулятор 5, на второй вход которого поступает колебание с выхода генератора 6 несущей частоты. Поступающий с выхода модулятора 5 сигнал на рабочей частоте усиливается усилителем 7 мощности и поступает на вход управляемого коммутатора 8. Управляемый коммутатор 8 представляет собой устройство с одним входом и числом выходов, равным числу АЭ, т. е. 2N+1. С второго выхода синхронизатора 4 на вход формирователя пространственной ПСП поступают необходимые сигналы частоты и управления, формирователь 9 пространственной ПСП формирует по закону, близкому к случайному, и распределяет на своих 2N+1 выходах последовательности управляющих импульсов, которые, воздействуя на соответствующие входы УК 8, обеспечивают подключение соответствующих входов АЭ 10. . . , 10. . . . к выходу УМ 7.

Таким образом, сигнал, излучаемый передающей антенной 10, имеет сложную структуру.

a_irect[t-(k-1)τ_n-T_i-1] ν_n(t-nτʹ)expj×, (1) где (t, Θ)- угол в азимутальной плоскости между направлением излучения (приема) и направлением, совпадающим с осью излучателей; i - номер элемента в информационной последовательности, T_i-1 - длительность информационного элемента; n= - номер антенного элемента; a_i= { 1; -1} - значение информационных элементов;
rect (t) - импульсы единичной амплитуды и фиксированной длительности τ_n;
ν_n(t-n τ¹) - закон пространственной ПСП;
f_n= { 0; π} - значение фазы ФМ ШПС в k-й момент времени;
f_пфм - значение фазы пространственной ПСП.

В свою очередь f_пфм= ndSin(45°-Θ°) (2) где λ- средняя длина волны рабочего диапазона;
n - номер АЭ;
d= l - расстояние между АЭ и разница в длине между соседними АЭ.

В приемной части системы сигнал S(t) поступает на вход приемной антенны 11, элементы которой при помощи управляемого коммутатора 12 подключаются к входу смесителя 14 по закону, определяемому управляющими сигналами с выходов формирователя 13 пространственной ПСП (этот закон совпадает с законом коммутации передающих АЭ). Сигнал с выхода управляемого коммутатора 12 поступает на первый вход смесителя 14, на второй вход которого воздействует напряжение определенной частоты с выхода гетеродина 15. Сигнал с выхода смесителя 14 усиливается УПЧ 16 и обрабатывается СФ 18. Сигнал с выхода СФ поступает на вход синхронизатора 17 и решающее устройство 19. Синхронизатор осуществляет поиск сигнала по пространству, частоте и времени и обеспечивает синхронное переключение АЭ передающей и приемной антенн. Далее благодаря синхронному переключению АЭ осуществляется согласованное с передающей стороной подключение выходов АЭ 11₁. . . 11_2n+1 через управляемый коммутатор 12 к входу смесителя 14. Таким образом снимается пространственно-фазовая манипуляция сигнала и обеспечивается восстановление его исходной структуры на входе смесителя 14. Для поиска сигнала по частоте синхронизатор 17 осуществляет перестройку гетеродина 15. По окончании поиска по пространству и частоте и вхождения в синхронизм на выходе решающего устройства 19 появляется информационная последовательность двоичных символов, которая передается на вход получателя 20 информации.

Формирователи 9 и 13 передающей и приемной пространственной ПСП могут быть выполнены (фиг. 3) в виде последовательно соединенных генератора ПСП, регистра и дешифратора. Генераторы ПСП управляются синхронизатором. Управляющие импульсы с выходов дешифратора поступают на соответствующие входы управляемых коммутаторов, подключающих соответствующие антенные элементы. Первый и второй управляемые коммутаторы могут быть реализованы в виде логических коммутаторов.

Сложная структура сигнала (1) обеспечивает дополнительное расширение его пространственного спектра за счет компоненты f_пфм (4), что позволяет снизить его спектральную плотность мощности и как следствие этого ЭМД к системе связи. Согласованные переключения АЭ передающей и приемной антенн позволяет на выходе УК 12 получить сигнал без пространственной ФМ. Кроме того, при воздействии на систему связи помехи последняя вследствие переключения АЭ 11. . . , 11. . . приобретает дополнительную ПФМ с фазовым сдвигом f_пфм (2), что приводит к принудительному расширению ее спектра (4), а следовательно, к снижению ОСП в полосе приема и повышению помехозащищенности системы связи. При этом сохраняется пропускная способность системы связи, определяемая значением базы ШПС ГФМ ПСП 3. Кроме того, в отличии от известных систем осуществляется пространственная селекция помех направления, прихода которых совпадают с направлением прихода полезного сигнала.

Применение заявляемой системы связи позволяет получить при сохранении пропускной способности устройства дополнительный выигрыш в помехозащищенности 5. . . 8 дб и добиться уменьшения вероятности энергетического обнаружения, которая является критерием ЭМД на 0,2.

Формула изобретения

СИСТЕМА СВЯЗИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ СИГНАЛОВ, содержащая на передающей стороне последовательно соединенные источник информации, фазовый модулятор, модулятор и усилитель мощности, а также синхронизатор, выход которого через генератор фазоманипулированной псевдослучайной последовательности соединен с гетеродинным входом фазового манипулятора и генератор несущей частоты, выход которого соединен с гетеродинным входом модулятора, а также передающую антенну, а на приемной стороне - приемную антенну, последовательно соединенные смеситель, усилитель промежуточной частоты, согласованный фильтр, решающий блок и выделитель информации, а также синхронизатор, выход которого через генератор соединен с вторым входом смесителя, а вход синхронизатора - с выходом согласованного фильтра, отличающаяся тем, что на передающей стороне введены управляемый коммутатор и формирователь псевдослучайной последовательности (ПСП), причем выход усилителя мощности через управляемый коммутатор соединен с передающей антенной, а выход синхронизатора через формирователь ПСП - с входом управления управляемого коммутатора, а на приемной стороне введены управляемый коммутатор и формирователь ПСП, причем выход приемной антенны через управляемый коммутатор соединен с входом смесителя, а выход синхронизатора через формирователь ПСП - с входом управления управляемого коммутатора, при этом передающая и приемная антенны выполнены в виде эквидистантных решеток из 2N + 1 антенных элементов различной электрической длины, причем разница в электрической длине соседних антенных элементов и расстояние между ними составляют половину средней длины волны рабочего диапазона λ / 2 , а суммарная электрическая длина пар элементов соответственно передающей и приемной антенн одинакова.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3