Электронный замок

Электронный замок

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемый замок относится к технике защиты различных объектов от несанкционированного доступа посторонних лиц, в частности к электронным замкам с использованием радиоканала.

Известны электронные замки (авт.свид. СССР №358495, 475450, 506693, 592693, 699155, 878889, 1000547, 1201472, 1252468, 1326718, 1776744; патенты РФ №2002020, 2037046, 2043476, 2159836, 2182636; патенты США №4831860, 5209088; патенты Великобритании №2141774, 2261254; патенты ФРГ №3407128, 3907326; патенты Франции №2559193, 2692309; патенты Японии №59-19167, 60-29912 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является "Электронный замок" (патент РФ №2182636, Е05В 49/00, 2001), который и выбран в качестве прототипа.

Известный замок обеспечивает повышение избирательности и помехозащищенности путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам, но не позволяет ослабить узкополосные помехи, принимаемые по основному каналу.

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости приема сложных сигналов с фазовой манипуляцией путем ослабления узкополосных помех, принимаемых по основному каналу.

Поставленная задача решается тем, что электронный замок, содержащий расположенные на объекте охраны радиопередатчик, радиоприемник, к выходу которого последовательно подключены первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, первый узкополосный фильтр, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника, и первый фильтр нижних частот, последовательно включенные блок памяти, коррелятор, пороговый блок и исполнительный блок, кинематически связанный с механическим замком, и элементы включения, выполненные в виде механического замка с выключателем питания, соединенного с радиопередатчиком и радиоприемником, а также средство для кодирования, расположенное вне объекта охраны и выполненное в виде последовательно включенных первого колебательного контура, средства преобразования частоты, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующего кода, и второго колебательного контура, при этом средство преобразования частоты выполнено в виде последовательно подключенных к выходу первого колебательного контура первого смесителя, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, первого усилителя промежуточной частоты, сумматора, перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого колебательного контура, узкополосного фильтра, амплитудного детектора и ключа, второй вход которого соединен с выходом сумматора, а выход подключен к первому входу фазового манипулятора, к второму выходу гетеродина последовательно подключены первый фазовращатель на 90°, второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом первого колебательного контура, второй усилитель промежуточной частоты и второй фазовращатель на 90°, выход которого соединен со вторым входом сумматора, снабжен на объекте охраны третьим и четвертым перемножителями, вторым фильтром нижних частот, вторым узкополосным фильтром, двумя фазоинверторами, вычитателем и формирователем низкочастотного напряжения, причем к выходу радиоприемника последовательно подключены третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго фазоинвертора, второй узкополосный фильтр, первый фазоинвертор, четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника второй фильтр нижних частот и второй фазоинвертор, к выходу второго фильтра нижних частот последовательно подключены вычитатель, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, и формирователь низкочастотного напряжения, выход которого соединен с вторым входом коррелятора.

Структурная схема предлагаемого электронного замка представлена на фиг.1. Структурная схема средства 9 преобразования частоты представлена на фиг.2. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы электронного замка, изображены на фиг.3. Частотная диаграмма, поясняющая процесс образования дополнительных каналов, показана на фиг.4.

Электронный замок содержит расположенные на объекте охраны радиопередатчик 4, радиоприемник 5, к выходу которого последовательно подключены первый перемножитель 12, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра 15 нижних частот, первый узкополосный фильтр 14, второй перемножитель 13, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника 5, первый фильтр 15 нижних частот, вычитатель 37, формирователь 38 низкочастотного напряжения, коррелятор 17, второй вход которого соединен с выходом блока 16 памяти, пороговый блок 18 и исполнительный блок 3, кинематически связанный с механическим замком 1 с выключателем 2 питания, соединенным с радиопередатчиком 4 и радиоприемником 5, последовательно подключенные к выходу радиоприемника 5 третий перемножитель 31, второй вход которого соединен с выходом второго фазоинвертора 36, второй узкополосный фильтр 33, первый фазоинвертор 35, четвертый перемножитель 32, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника 5, второй фильтр 34 нижних частот и второй фазоинвертор 36, второй вход вычитателя 37 соединен с выходом второго фильтра 34 нижних частот, а также средство 6 для кодирования, расположенное вне объекта охраны и выполненное в виде последовательно включенных первого колебательного контура 7, средства 9 преобразования частоты, фазового манипулятора 11, второй вход которого соединен с выходом генератора 10 модулирующего кода, и второго колебательного контура 8.

Средство 9 преобразования частоты содержит последовательно подключенные к выходу колебательного контура 7 первый смеситель 19, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина 21, первый усилитель 23 промежуточной частоты, сумматор 26, перемножитель 27, второй вход которого соединен с выходом колебательного контура 7, узкополосный фильтр 28, амплитудный детектор 29 и ключ 30, второй вход которого соединен с выходом сумматора 26, а выход подключен к первому входу фазового манипулятора 11. К второму выходу гетеродина 21 последовательно подключены первый фазовращатель 22 на 90°, второй смеситель 20, второй вход которого соединен с выходом колебательного контура 7, второй усилитель 24 промежуточной частоты и второй фазовращатель 25 на 90°, выход которого соединен с вторым входом сумматора 26.

Подавление ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному каналу на частоте ω_з и первому комбинационному каналу на частоте ω_к1, осуществляется "внешним кольцом", состоящим из смесителей 19 и 20, гетеродина 21, фазовращателей 22 и 25 на 90°, усилителей 23 и 24 промежуточной частоты. Это кольцо реализует фазокомпенсационный метод.

Подавление ложных сигналов (помех), принимаемых по второму комбинационному каналу на частоте ω_к2, осуществляется "внутренним кольцом", состоящим из перемножителя 27, узкополосного фильтра 28, амплитудного детектора 29 и ключа 30. Это кольцо реализует метод узкополосной фильтрации.

Ослабление узкополосных помех, принимаемых по основному каналу на частоте ω_с, осуществляется двумя универсальными демодуляторами, каждый из которых состоит из перемножителей 12 и 13 (31 и 32), фильтра 15 (35) нижних частот, узкополосного фильтра 14 (33). За счет фазоинверторов 35 и 36 выходные напряжения демодуляторов оказываются взаимно противоположной полярности. В результате этого взаимно инверсные выходные напряжения демодуляторов складываются по абсолютной величине, а униполярные помеховые напряжения взаимно вычитаются.

Электронный замок работает следующим образом.

При нажатии на ручку 1 замка замыкаются контакты, подавая питание на радиопередатчик 4 и радиоприемник 5. Радиопередатчик 4 излучает сигнал высокой частоты

где υ_c, ω_с, ϕ_с, Т_c - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала соответственно.

Причем длительность Т_c сигнала определяется временем нажатия на ручку 1 замка.

Указанный сигнал принимается индуктивностью 7 (контуром), настроенным на несущую частоту ω_с, и поступает на первые входы смесителей 19 и 20 средства 9 преобразования частоты, на вторые входы которых подаются напряжения гетеродина 21 соответственно:

На выходе смесителей 19 и 20 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 23 и 24 промежуточной частоты выделяются напряжения промежуточной (разностной) частоты:

где

K₁ - коэффициент передачи смесителей;

ω_пр=ω_с-ω_г - промежуточная частота;

ϕ_пр=ϕ_с-ϕ_г.

Напряжение U_пр2(t) с выхода усилителя 24 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 25 на 90°, на выходе которого образуется напряжение

Напряжения U_пр1(t) и U_пр3(t) поступают на два входа сумматора 26, на выходе которого образуется напряжение (фиг.3а)

где U_Σ=2U_пр.

Это напряжение подается на первый вход перемножителя 27, на второй вход которого поступает сигнал U_c(t) с выхода колебательного контура 7. На выходе перемножителя 27 образуется напряжение

где υ₁=1/2·К₂·υ_с·υ_Σ;

К₂ - коэффициент передачи перемножителя.

Частота настройки ω_н узкополосного фильтра 28 выбирается равной частоте ω_г гетеродина 21 (ω_н=ω_г). Поэтому в полосу пропускания узкополосного фильтра 28 попадает напряжение

которое после детектирования в амплитудном детекторе 29 поступает на управляющий вход ключа 30, открывая его. В исходном состоянии ключ 30 всегда закрыт.

При этом напряжение U_Σ(t) (фиг.3а) с выхода сумматора 26 через открытый ключ 30 поступает на первый вход фазового манипулятора 11, на второй вход которого подается модулирующий код M(t) (фиг.3б), с выхода генератора 10 модулирующего кода. На выходе фазового манипулятора 11 образуется фазоманипулированный (ФМн) сигнал на промежуточной частоте (фиг.3в)

где ϕ_к(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг.3б), причем ϕ_к(t)=const при k·τ_э<t<(k+1)·τ_э и может изменяться скачком при t=k·τ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2,..., N-1);

τ_Э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т_с (Т_с=N·τ_Э);

который излучается в эфир посредством индуктивности (контура) 8, настроенной на промежуточную частоту ω_пр.

Указанный ФМн-сигнал принимается радиоприемником 5, настроенным на промежуточную частоту ω_пр, и поступает на входы перемножителей 12, 13, 31 и 32.

На вторые входы перемножителей 13 и 32 с выходов узкополосного фильтра 14 и фазоинвентора 35 подаются опорные напряжения соответственно (фиг.3г, е):

В результате перемножения указанных сигналов образуются результирующие колебания:

где υ₁=1/2·К₂·υ_Σ·υ₀.

Аналоги модулирующего кода (фиг.3д, ж)

выделяются фильтрами 15 и 34 нижних частот соответственно и подаются на два входа вычитателя 37. Вычитая одно из другого указанные напряжения с учетом их противоположной полярности, на выходе вычитателя 37 образуется удвоенное (суммарное) низкочастотное напряжение (фиг.3з)

где U_н=2U₂,

т.е. получается сложение по абсолютной величине напряжений U_н1(t) и U_н2(t).

При этом амплитудные аддитивные помехи проходят через два демодулятора одинаково, изменяя амплитуды выходных продетектированных напряжений в одну и ту же сторону. Но в вычитателе 37 они вычитаются, оставаясь однополярными, т.е. подавляются, взаимно компенсируются.

Низкочастотное напряжение U_н2(t) с выхода фильтра 34 нижних частот поступает на вход фазоинвертора 36, на выходе которого образуется низкочастотное напряжение

Низкочастотные напряжения U_н1(t) и U_н3(1) с выхода фильтра 15 нижних частот и фазоинвертора 36 поступают на второй вход перемножителей 12 и 31 соответственно, на выходе которого образуются гармонические напряжения:

где υ₃=1/2·K₁·υ₂·υ_Σ;

U₀=2U₃.

Данные напряжения выделяются узкополосными фильтрами 14 и 33 соответственно. Напряжение U₀₁(t) с выхода узкополосного фильтра 14 подается на второй вход перемножителя 13. Напряжение U₀₃(t) выделяется узкополосным фильтром 33 и поступает на вход фазоинвертора 35, на выходе которого образуется напряжение

которое подается на второй вход перемножителя 32.

Низкочастотное напряжение U_н(t) (фиг.3з) через формирователь 38 низкочастотного напряжения поступает на первый вход коррелятора 17, на второй вход которого подаются модулирующие коды M₁(t)-M_n(t), записанные заранее в блоке 16 памяти, n - количество сотрудников, имеющих доступ к электронному замку, а следовательно, и санкционированный доступ к объекту охраны.

Перемножители 12 и 13, 31 и 32, узкополосные фильтры 14 и 33, фильтры 15 и 35 нижних частот и фазоинверторы 35 и 36 образуют два демодулятора ФМн-сигналов и обеспечивают выделение модулирующих кодов в прямом (фиг.3д) и обратном (фиг.3ж) видах из принимаемого ФМн-сигнала, т.е. синхронное его детектирование.

Необходимым условием синхронного детектирования ФМн-сигналов является наличие в точке приема опорного напряжения, имеющего постоянную начальную фазу и частоту, равную частоте принимаемого сигнала.

Для выделения опорного напряжения непосредственно из принимаемого ФМн-сигнала разработан ряд интересных и оригинальных устройств (например, схемы Пистолькорса А.А., Сидорова В.И., Костаса Д.Ф., Травина Г.А. и др.).

Однако указанным устройствам присуще явление "обратной работы", которое делает невозможным достоверное синхронное детектирование ФМн-сигналов.

Предлагаемые блоки, обеспечивающие синхронное детектирование принимаемого ФМн-сигнала, свободны от явления "обратной работы" и позволяют выделять модулирующий код M(t) (его аналог) из принимаемого ФМн-сигнала в прямом и инверсном виде.

Каждый сотрудник объекта охраны имеет свой индивидуальный модулирующий код, который записан в блоке 16 памяти в персональном ключе (средство 6 для кодирования). Сформированное низкочастотное напряжение U_н(t) (фиг.3з) сравнивается в корреляторе 17 со своим прототипом, записанным в блоке 16 памяти, и образуют максимальное напряжение, пропорциональное корреляционной функции R(τ). Это напряжение превышает пороговый уровень υ_пор в пороговом блоке 18. Пороговый уровень υ_пор выбирается таким, чтобы его превышали только максимальные значения корреляционных функций. При превышении порогового напряжения υ_пор в пороговом блоке 18 формируется управляющее напряжение, которое включает исполнительный механизм 3.

При отсутствии вблизи электронного замка средства 6 для кодирования, которое может быть выполнено в виде ключа или брелка, сигнал на первом входе коррелятора 17 отсутствует и замок не открывается. Замок не открывается и в том случае, когда модулирующий код, записанный в брелке его владельца, не соответствует ни одному из кодов M₁(t)÷M_n(t), записанных в блоке 16 памяти.

Описанная выше работа электронного замка соответствует случаю приема полезного сигнала радиопередатчика 4 по основному каналу на частоте ω_с (фиг.4)

Если ложный сигнал (помеха) принимается по зеркальному каналу на частоте ω_з:

то усилителями 23 и 24 промежуточной частоты выделяются напряжения:

,

где υ_пр4=1/2·K₁·υ₃·υ_г;

ω_пр=ω_г-ω_з - промежуточная частота;

ϕ_пр4=ϕ_г-ϕ_з.

Напряжение U_пр5(t) с выхода усилителя 24 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 25 на 90°, на выходе которого образуется напряжение

Напряжения U_пр4(t) и U_пр6(t), поступающие на два входа сумматора 26, на его выходе компенсируются.

Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по зеркальному каналу на частоте ω_з, подавляется.

По аналогичной причине подавляется и ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому комбинационному каналу на частоте ω_к1.

Если ложный сигнал (помеха) принимается по второму комбинационному каналу на частоте ω_к2

то усилителями 23 и 24 промежуточной частоты выделяются напряжения:

где υ_пр7=1/2·K₁·υ_к2·υ_г;

ω_пр ⁼ω_к2-2ω_г - промежуточная частота;

ϕ_пр7=ϕ_к2-ϕ_г.

Напряжение U_пр8(t) с выхода усилителя 24 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 25 на 90°, на выходе которого образуется напряжение

Напряжения U_пр7(t) и U_пр9(t) поступают на два входа сумматора 26, на выходе которого образуется напряжение

где U_Σ3=2U_пр7.

Это напряжение подается на первый вход перемножителя 27, на второй вход которого поступает ложный сигнал (помеха) U_к2(t). На выходе перемножителя 27 образуется напряжение

где υ₄=1/2·K₁·υ_к2·υ_Σ3,

которое не попадает в полосу пропускания узкополосного фильтра 28. Ключ 30 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму комбинационному каналу на частоте ω_к2, подавляется.

По аналогичной причине подавляются и ложные сигналы (помехи), принимаемые по другим комбинационным каналам.

Таким образом, предлагаемый электронный замок по сравнению с прототипом позволяет сильно ослабить действие помех, принимаемых по основному каналу на частоте ω_с, увеличить отношение сигнал/шум на выходе вычитателя и тем самым повысить помехоустойчивость, достоверность и надежность электронного замка.

Электронный замок, содержащий расположенные на объекте охраны радиопередатчик, радиоприемник, к выходу которого последовательно подключены первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, первый узкополосный фильтр, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника, и первый фильтр нижних частот, последовательно включенные блок памяти, коррелятор, пороговый блок и исполнительный блок, кинематически связанный с механическим замком, и элементы включения, выполненные в виде механического замка с выключателем питания, соединенного с радиопередатчиком и радиоприемником, а также средство для кодирования, расположенное вне объекта охраны и выполненное в виде последовательно включенных первого колебательного контура, средства преобразования частоты, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующего кода, и второго колебательного контура, при этом средство преобразования частоты выполнено в виде последовательно подключенных к выходу первого колебательного контура первого смесителя, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, первого усилителя промежуточной частоты, сумматора, перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого колебательного контура, узкополосного фильтра, амплитудного детектора и ключа, второй вход которого соединен с выходом сумматора, а выход подключен к первому входу фазового манипулятора, к второму выходу гетеродина последовательно подключены первый фазовращатель на 90°, второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом первого колебательного контура, второй усилитель промежуточной частоты и второй фазовращатель на 90°, выход которого соединен со вторым входом сумматора, отличающийся тем, что он снабжен на объекте охраны третьим и четвертым перемножителями, вторым фильтром нижних частот, вторым узкополосным фильтром, двумя фазоинверторами, вычитателем и формирователем низкочастотного напряжения, причем к выходу радиоприемника последовательно подключены третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго фазоинвертора, второй узкополосный фильтр, первый фазоинвертор, четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника, второй фильтр нижних частот и второй фазоинвертор, к выходу второго фильтра нижних частот последовательно подключены вычитатель, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, и формирователь низкочастотного напряжения, выход которого соединен с вторым входом коррелятора.