за счет чего осуществляется в тропосферных линиях счетверенный прием

СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ В ТРОПОСФЕРНЫХ ЛИНИЯХ СВЯЗИ Российский патент 2010 года по МПК H04B7/22

Описание патента на изобретение RU2394372C1

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для разработки тропосферных радиостанций.

Способ-прототип заключается в следующем.

При сдвоенном приеме с разнесением по частоте на одну антенну через диплексор подается сигнал от двух передатчиков, работающих на разных частотах, к которым через общий модулятор поступает групповой сигнал от каналообразующей аппаратуры. Приемная станция также имеет одну антенну, к которой через диплексор подключены два приемника, настроенные на соответствующие передатчикам частоты. При определенном разносе между этими заданными частотами замирания радиосигналов на входах приемников оказываются практически некоррелированными, благодаря чему и обеспечивается существенное снижение влияния быстрых замираний радиосигнала на качество приема. Двукратное разнесение по частоте позволяет обойтись одной антенной, но необходимы два передатчика и два приемника с раздельными гетеродинами.

Для повышения помехоустойчивости требуется N-кратное (N>2) разнесение по частоте, но тогда потребуется N передатчиков и N приемников. Мощные передатчики и чувствительные приемники всегда сложны, а к стабильности частоты их возбудителей и гетеродинов предъявляются весьма высокие требования.

Задачей предлагаемого способа является борьба с замираниями при передаче и приеме информации в цифровых тропосферных линиях связи и повышение помехоустойчивости связи при упрощении устройства для осуществления способа.

Для решения поставленной задачи в способе передачи и приема цифровой информации в тропосферных линиях связи, основанном на разнесении сигналов по частоте, согласно изобретению, используют модуляцию центральной частоты излучаемых сигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) по бинарному информационному закону, осуществляют их обработку на согласованном фильтре сжатия и выделяют полезную информацию с помощью селектирующих стробов и тактовых импульсов, наведенных ЛЧМ пилот-сигналом.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

Тогда, аналитическое выражение для информационного сигнала принимает вид

при передаче логической «1», или

при передаче логического «0»,

— скорость перестройки частоты;

Величина отстройки начальной частоты информационного ЛЧМ сигнала выбирается из условия

Законы изменения частоты излучаемых сигналов показаны на фиг.2.

При приеме информационных ЛЧМ радиоимпульсов (см. фиг.3) на выходе фильтра сжатия появляются сжатые по времени сигналы (см. фиг.4), имеющие временные сдвиги относительно автокорреляционной функции [Ч.Кук, М.Бернфельд. Радиолокационные сигналы. Теория и применение. Перевод с английского под редакцией В.С.Кельзона. М., «Сов. радио», 1971 г., рис.6.2, с.151].

Импульсная характеристика фильтра сжатия g(t) (см. фиг.3) и величина временного сдвига сжатого сигнала (Δτ) на его выходе имеют вид

Учитывая, что применяется согласованный фильтр сжатия (т.е. Δω_ФС=Δω), из формул (2) и (4) можно получить Δτ≤0,2·τ_и.

Найденная из (4) величина временного сдвига (Δτ) сжатого по времени информационного сигнала (длительностью τ_СЖ), должна удовлетворять условию

Исходя из [Ч.Кук, М.Бернфельд. Радиолокационные сигналы. Теория и применение. Перевод с английского под редакцией В.С.Кельзона. М., «Сов. радио», 1971 г., рис.1.8 и (1.19), с.24] при использовании фильтра сжатия отношение пиковых мощностей входного и выходного сигналов равно параметру сжатия τ_И·ΔF. Т.е., например, при потере вследствие замираний 50% полосы полезного сигнала уровень сжатого импульса уменьшится всего в 1,41 раз. Поэтому, благодаря использованию широкополосного (ЛЧМ) сигнала с полосой (соответствующей девиации частоты ΔF), составляющей десятки МГц, обеспечивается надежность связи.

Выделение информационного сигнала (логических «1» и «0») осуществляется с помощью селектирующих импульсов (стробов). С этой целью на вход приемной стороны поступает (см. фиг.2) синхронизирующий ЛЧМ радиоимпульс (пилот-сигнал «ПС») для наведения стробов на информационные сигналы (см. фиг.4).

согласованы с импульсной характеристикой фильтра сжатия (3).

Длительность сжатого пилот-сигнала (τ_ПС) при использовании согласованного фильтра сжатия

Начало формирования первого строба (τ_СИ (1) ) задерживается (см. фиг.5) относительно пилот-сигнала на длительность бланка (Т_БЛ)

Длительность первого строба выбирается из условия

Начало формирования второго строба (τ_СИ (2) ) привязано к заднему фронту первого строба (см. фиг.6).

Длительность второго строба (τ_СИ (2) ) выбирается из условия

Для выделения информационного сигнала (с длительностью бита Т) из сигнала, показанного на фиг.7, задаются сдвинутые на Т/2 относительно пилот-сигнала тактовые импульсы (см. фиг.8) с периодом следования, равным Т. Полученный на выходе приемника результирующий информационный сигнал представлен на фиг.9.

Рассмотрим вопрос практической реализации способа.

Перенос модулированного по бинарному закону ЛЧМ сигнала в СВЧ диапазон с последующим усилением и излучением, а также прием СВЧ сигнала с последующим его усилением и преобразованием в промежуточную частоту можно реализовать стандартным способом (например, как в способе-прототипе).

Принятый и усиленный сигнал на промежуточной частоте для дальнейшей обработки оцифровывается с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), например АЦП LTC2207IUK (Linear Technology). Сигнал на промежуточной частоте, подготовленный для передачи, можно преобразовать с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП), например ЦАП AD9786BSV (Analog Devices).

Формирование ЛЧМ сигнала, его модуляцию по информационному закону, согласованную фильтрацию и сжатие принятого сигнала на промежуточной частоте, формирование селектирующих стробов и тактовых импульсов можно реализовать на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС), например ПЛИС EP3C16Q240C8N (Altera).

Таким образом, использование широкополосного (ЛЧМ) сигнала, его модуляции и обработки позволяет снизить влияние замираний при передаче и приеме информации в цифровых тропосферных линиях связи.

— повышение информативности радиоэлектронных средств (РЭС) передачи информации, защищенности от помех, электромагнитной совместимости РЭС и скрытности излучения;

— понижение вероятности преследования РЭС военного назначения.

Предлагаемый способ является новым, поскольку из общедоступных сведений не известны ни способы, ни устройства, позволяющие при простейшей (одна антенна, один приемник, один передатчик) реализации, но за счет применения широкополосного сигнала при приемлемой скорости передачи информации осуществлять эффективное снижение влияния замираний на качество приема.

Похожие патенты RU2394372C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 394 372 C1

Реферат патента 2010 года СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ В ТРОПОСФЕРНЫХ ЛИНИЯХ СВЯЗИ

Формула изобретения RU 2 394 372 C1

Способ передачи и приема цифровой информации в тропосферных линиях связи, основанный на разнесении сигналов по частоте, отличающийся тем, что используют модуляцию центральной частоты излучаемых сигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) по бинарному информационному закону, осуществляют их обработку на согласованном фильтре сжатия и выделяют полезную информацию с помощью селектирующих стробов и тактовых импульсов, наведенных ЛЧМ пилот-сигналом.

Источник

Особенности построения тропосферных радиорелейных линий

Как отмечалось в предыдущей лекции, радиорелейные линии, использующие эффект дальнего тропосферного распространения ультракоротких волн (УКВ), называются тропосферными радиоре­лейными линиями (ТРРЛ). Соседние станции ТРРЛ обычно распо­лагаются на расстоянии 300. 400 км, а в отдельных случаях (при благоприятных условиях распространения УКВ) и 600. 800 км. Возможность перекрывать такие большие расстояния является основным преимуществом ТРРЛ. Для нашей страны с ее огромной территорией ТРРЛ представляют особый интерес, поскольку позво­ляют обеспечить современными средствами связи отдаленные и труднодоступные районы Севера и Дальнего Востока.

Все же и этого оказывается недостаточно, так как средний уровень сигнала на входе приемника оказывается малым. Поэтому на ТРРЛ широко применяются малошумящие усилители СВЧ, пороговые понижающие устройства, а также используется техника разнесенного приема и другие методы борьбы с быстрыми интерференционными замираниями.

Пропускная способность ТРРЛ обычно составляет 12. 60 каналов тональной частоты. Максимальная емкость радиоствола ТРРЛ в некоторых случаях может достигать 120 каналов.

Особенности построения станций ТРРЛ следующие:

— для повышения качества, устойчивости и надежности связи на всех станциях линии передачи обязательно используется разнесен­ный прием: сдвоенный, счетверенный или большей кратности;

— поскольку на ТРРЛ, как правило, соседние станции удалены друг от друга на значительные расстояния, то почти на каждой промежуточной станции производится демодуляция и повторная модуляция сигнала для выделения некоторого числа каналов тональной частоты.

На ТРРЛ, так же как и на РРЛ прямой видимости, применяются три типа станций; оконечная, промежуточная и узловая (или стан­ция с ответвлениями).

Обобщенная структурная схема передатчика ТРРЛ. Передат­чик состоит из (рисунок 9) возбудителя и мощного усилителя, основой, которых является пролетный клистрон.

Модулирующее напряжение от каналообразующей аппаратуры поступает на генератор частотно-модулированных колебаний ЧМГ, который работает на промежуточной частоте (обычно 70 МГц). Полученные колебания через ограничитель амплитуд. OA подаются на УПЧ, где усиливаются и поступают на смеситель высокого уровня См.

Рисунок 9. Типовая структурная схема передатчика ТРРЛ

Так как для раскачки мощного усилительного клистрона требуется сравнительно большая мощность, то полученные после смесителя колебания высокой частоты усиливаются в УВЧ. Затем через фильтр боковой полосы Ф, который выделяет нижнюю или верхнюю боковую полосу, ферритовый вентиль ФВ, необходимый для согласования выхода УВЧ и входного резонатора клистрона, и направленный ответвитель НО, предназначенный для измерительных целей, колебания подаются на мощный клистронный усилитель МУ.

С выхода клистронного усилителя через мощный ферритовый вентиль ФВ, необходимый для согласования выхода клистронного усилителя с антенно-фидерным трактом, и фильтр гармоник ФГ, защищающий другие радиосредства от помех со стороны данного передатчика, высокочастотная энергия по волноводу поступает в антенну. Направленный ответвитель НО и здесь служит для измерения полезной мощности, а также для организации защиты клистрона. При нарушении согласования в фидере может произойти СВЧ пробой. В результате возникает дуга на выходе клистрона, что может привести к его отказу. В этом случае срабатывает система защиты, действующая от отраженной волны. Эта система снимает высокое напряжение с клистрона, предотвращая его разрушение.

Разнесенный прием.Разнесенный прием является основным способом борьбы с замираниями на ТРРЛ. Разнесенный прием основан на том, что сигнал на выходе приемного устройства образуется комбинацией нескольких входных сигналов, несущих одну и ту же информацию, но по-разному пораженных замираниями. При этом комбинирование осуществляется так, чтобы выходной сигнал флуктуировал значительно меньше, чем входные.

На ТРРЛ могут быть применены следующие методы разнесения:

— частотное разнесение, использующее независимость замирания сигна­ла на частотах, разнесенных на величину, превышающую радиус частотной корреляции;

— разнесение по углу прихода луча, при котором используются одна при­емная антенна и несколько облучателей, каждый из которых создает свою диаграмму направленности, сдвинутую относительно соседних по азимуту либо по углу места;

— комбинированное разнесение, например, при счетверенном приеме раз­несения пар сигналов по частоте и в пространстве или по частоте и углу.

Системы разнесенного приема делят на две группы: системы фильтрового приема и системы автокорреляционного приема.

При фильтровом приеме сигналы от различных антенн сначала выделяются фильтрами, а затем комбинируются. Такие системы обеспечивают обычно кратность не более 4, так как дальнейшее увеличение кратности потребовало бы увеличения числа дорогостоящих антенн и передатчиков.

На ТРРЛ в основном нашло применение сложение разнесенных сигналов с тем или иным весом. Используются два способа сложения: до детектора, т.е. в тракте высокой или промежуточной частоты, и после детектора, т.е. в групповом тракте.

При сложении сигналов до детектора требуется предвари­тельная фазировка складываемых сигналов, так как их фазы изменяются случайным образом. Это делает до детекторное сложение, в принципе, более сложным. Однако при приеме сигналов с ЧМ до детекторное сложение все-таки предпочтительнее, поскольку здесь порог ЧМ определяется суммарным сигналом и всегда ниже, чем при сложении после детектора, где возникновение порогового эффекта уже нельзя ликвидировать простым сложением в групповом тракте. На ТРРЛ используют два основных способа сложения.

Линейное сложение. В этом случае все N разнесенных сигна­лов складываются с одинаковыми весовыми коэффициентами. Это означает, что усиление всех разнесенных приемников должно быть одинаковым: Это, в принципе, легко обеспечивается применением, автоматической регулировки усиления (АРУ) во всех УПЧ. В резуль­тате усиление всех трактов сохраняется одинаковым и определяет­ся, в основном, самым сильным из сигналов.

Оптимальное сложение. При способе разнесенного приема этом усиление в каждом из трактов разнесенного приема должно поддерживаться пропорциональным отношению напряжения сигна­ла к среднеквадратическому значению, т.е. усиление в каждом из трактов должно регулироваться так, чтобы в любой момент времени оно было пропорционально напряжению сигнала и обратно пропор­ционально мощности шума в этом тракте. Структурная схема системы линейного до детекторного сло­жения сигналов, принятых на две различных антенны, изображена на рисунке 10.

Принятые двумя антеннами (приемная антенна 1-го тракта и приемная антенна 2-го тракта) сигналы, одной частоты но с раз­ными фазами поступают на входы УСВЧ-1 и УСВЧ-2.

Рисунок 10. Структурная схема системы линейного сложения на

После обыч­ного преобразования в смесителях См-1 и См-2 усиливаются УПЧ-1 и УПЧ-2 и складываются в специальном каскаде сложения Σ. На­пряжение гетеродина вырабатывается кварцевым генератором Г. Так как генератор общий, то сигналы промежуточной частоты могут отличаться только по фазе, автоподстройка которой осуществляет­ся фазовращателем ФВ. Сигналы после УПЧ подаются на фазовый детектор ФД, в котором вырабатывается сигнал ошибки, воздейст­вующий на фазовращатель ФВ. Схемными решениями достижимая точность фазирования не зависит от стабильности частоты общего гетеродина Г.

Линейность режима сложения обеспечивается применением па­раллельной автоматической регулировки усиления (ПАРУ) обоих УПЧ, благодаря чему суммируемые сигналы находятся в таком же соотношении, как и входные.

Рассмотренная схема с некоторыми добавлениями нашла широ­кое применение в аппаратуре ТРРЛ в силу сравнительной простоты и устойчивости в работе. В процессе эксплуатации она практически не требует дополнительных регулировок.

Структурная схема сложения сигналов после детектора для сдвоенного приема изображена на рисунке 11. Такая схема применяет­ся для объединения сигналов, разнесенных по пространству или по частоте.

Сигналы от двух антенн поступают на свои приемники Пр₁ и Пр₂, где происходит их преобразование в промежуточную частоту. С выхода приемников сигналы промежуточной частоты поступают на частотные демодуляторы ЧД₁ и ЧД₂ и далее на каскад сложения Сл. Шумы, частоты которых лежат выше полосы сигнала, отфильт­ровываются полосовыми фильтрами ФШ₁ и ФШ₂, включенными на выходе демодуляторов каждого из трактов приема.

Шумы усилива­ются в УШ₁ и УШ₂, детектируются. Дет₁ и Дет₂ и используются для регулирования степени усиления сигналов. Сигналы складываются с весом, пропорциональным отношению сигнал-шум на выходах демодуляторов. Для получения линейного режима сложения усилители шума охвачены ПАРУ.

Структурная схема системы счетверенного приема с разне­сенным по пространству и частоте, нашедшая широкое применение в аппаратуре ТРРЛ, приведена на рисунке 12.

Рисунок 11. Структурная схема сложения сигналов после детектора

В схеме применяется комбинация двух вышерассмотренных спо­собов сложения, причем сначала производят попарно сложение сигналов одной частоты, принятых из разных антенн (отделяемых режекторными фильтрами РФ₁, и РФ₂) в системе сложения до детек­тора (см. рисунок 10), а затем попарно сложенные по промежуточной частоте сигналы объединяются в системе линейного сложения после детектора (см. рисунок 11).

Рисунок 12. Структурная схема системы счетверенного приема

Недостаток этой системы состоит в том, что второе попарное сложение осуществляется после детектора со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Структурная схема приемного устройства с оптимальным сложением после детектора представлена на рисунке 13.

Радиосигналы, от соответствующих антенн поступают в прием­ники Пр₁ и Пр₂, где происходит их преобразование в сигналы про­межуточной частоты. Далее эти сигналы поступают на частотные детекторы ЧД₁ и ЧД₂, с выхода, которых они одновременно поступа­ют на регулируемые усилители РУ₁, и РУ₂ и фильтры шумов ФШ₁ и ФШ₂.

Рисунок 13. Структурная схема приемного устройства с оптимальным

Полоса пропускания фильтров располагается выше верхней частоты передаваемого полезного сигнала. Шумы детектируются в детекторах Дет₁ и Дет₂ и подаются на устройство сравнения УС, которое управляет уровнем складываемых сигналов и изменяет усиление РУ_1,2 таким образом, чтобы оно было пропорционально напряжению сигнала и обратно пропорционально мощности шума в этом тракте.

Потенциальные возможности разнесенного приема ограничены, поскольку увеличение кратности разнесения связано почти с пропор­циональным ростом объема оборудования. Поэтому дальнейшее улучшение качества и надежности ТРРЛ потребовало разработки новых методов борьбы с замираниями с использованием оптимально­го приема широкополосных сигналов и методов адаптивного приема.

Передача сигналов телевизионного вещания по радиорелейным линиям. Сигналами телевизионного вещания (ТВ) являются сигнал изо­бражения и сигнал звукового сопровождения. В радиорелей­ных системах передачи эти сигналы передаются в одном телевизионном стволе.

Передача сигналов звукового сопровождения (иногда и сигналов звукового вещания) осуществляется с помощью частотной модуляции поднесущих частот F_н1 и F_н2. Промодулированные сигналы поднесу­щих складываются с сигналом изображения, и полученный таким образом ТВ сигнал из аппаратной телецентра по кабелю или вспомо­гательной РРЛ подается на ОРС. Структурная схема передающей аппаратуры ТВ ствола РРЛ представлена на рисунке 14. ТВ сигнал U_meподается на фильтр нижних частот (ФНЧ)1 с граничной частотой 6,5 МГц. Затем ТВ сигнал поступает на блок 2, в котором осуществ­ляется коррекция группового времени запаздывания ТВ сигнала и предыскажения АЧХ с целью уменьшения уровня низкочастотных составляющих спектра, и на сумматор 3. Сигналы звукового сопрово­ждения U_3C и звукового вещания U_3в, уровень которых, после соедини­тельных линий устанавливается входными регуляторами 9, 17 посту­пают на частотные модуляторы поднесущих F_н1 и F_н2 10, 18.Затем после ограничителей 11, 19 и ФНЧ 12, 20поднесущие, модулирован­ные по частоте сигналами U_3C, U_3в, подаются на сумматор 3.

Сюда же поступает напряжение пилот-сигнала U_пc, формируемое гетеродином 13. После сумматора 3групповой сигнал усиливается усилителем 4 и поступает на групповой ЧМ модулятор, осуществ­ляющий частотную модуляцию промежуточной частоты f_np = 70 МГц. При этом девиация частоты ТВ сигналом должна быть не более ± 4 МГц. Для обеспечения высокой линейности модуляционной харак­теристики частотно-модулируемого генератора (ЧМГ) в области частот 70 ± 4 МГц последний строится по схеме вычитания частот f_г1 и f_г2 двух ЧМГ 7 и 21, работающих на частотах F_H1и F_h2 в диапазоне 300. 400 МГц. В этом случае каждый из гетеродинов модулируется путем изменения емкости варикапов 6, 14. Модулирующий сигнал U(t)через развязывающее устройство 5 подается на варикапы в противофазе.

Кор­ректирующие цепи 8, 22 повышают линейность модуляционных характеристик ЧМГ. На выходе смесителя 15 образуется сигнал промежуточной частоты:

который усиливается усилителем 16.

Демодуляция группового сигнала ТВ канала производится в устройстве, структурная схема которого представлена на рисунке 15.

Рисунок 14. Структурная схема передающей аппаратуры ТВ ствола РРЛ

Демодулятор содержит усилитель промежуточной частоты 1 с полосой пропускания ∆F_ЧM ≈ 27 МГц, усилитель-ограничитель 2, групповой, частотный детектор 3, ФНЧ 4, усилитель-корректор ТВ сигнала 5, полосовые разделительные фильтры 6, 7, усилитель-ограничитель 8 и частотный детектор сигнала звукового сопровож­дения 9.

Рисунок 15. Структурная схема демодулятора группового сигнала

В данном случае полоса пропускания тракта промежуточной час­тоты ∆F_ЧМ определяется исходя из следующего соотношения:

Звуковые сигналы по РРЛ передаются с использованием двой­ной ЧМ. К достоинствам такого способа передачи следует отнести высокую помехоустойчивость звуковых сигналов и простоту схемно­го выполнения аппаратуры.

Контрольные вопросы:

1. Назовите основные элементы передатчика и приемника радио­ствола и укажите их назначение.

2. Назовите основные элементы типового тракта промежуточной час­тоты радиорелейной линии и укажите их назначение.

3. Классификация и принципы построения приемопередающей аппа­ратуры промежуточных станций радиорелейных линий передачи.

4. Назовите основные элементы цифровой радиорелейной системы передачи оконечной станции и укажите их назначение.

5. Назовите основные элементы цифровой радиорелейной системы передачи промежуточной, станции и укажите их назначение.

6. Укажите особенности построения станций тропосферных радиоре­лейных линий и область их применения.

7. Назовите основные элементы схемы передающей аппаратуры тро­посферной радиорелейной линии передачи и укажите их назначение.

8. Сущность техники разнесенного приема и способы его организации для тропосферных радиорелейных линий передачи.

9. Назовите способы сложения разнесенных сигналов и дайте их сравнительный анализ.

10. Поясните физическую сущность счетверенного приема.

11. Укажите назначение основных элементов структурной схемы пере­дающей аппаратуры телевизионного ствола радиорелейной линии передачи.

Источник