Способ передачи и приема телеметрической информации с частотно-временным уплотнением радиоканала и аналого-цифровым методом частотной (фазовой) модуляции несущей частоты и устройство для его осуществления

Способ передачи и приема телеметрической информации с частотно-временным уплотнением радиоканала и аналого-цифровым методом частотной (фазовой) модуляции несущей частоты и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к системам радиотелеметрии, в частности к системам передачи и приема информации с частотно-временным уплотнением радиоканала.

Известен способ передачи телеметрической информации с частотным разделением каналов [1]. При этом каждому из N источников информации (например, телеметрическому датчику) выделяется определенная полоса частот Δf_общ. Общая полоса частот составит Δf_общ=ΣΔf_k, где k=(1,2, ...N) - число каналов системы.

Недостатком способа является ограниченное число каналов и резкое увеличение требуемой полосы радиочастот при увеличении числа каналов системы.

Известен способ передачи информации с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ), при использовании которого радиосигналы, формируемые по принципу частотно-временной матрицы, излучаются в широкой полосе частот, значительно превышающей полосу, необходимую для передачи полезной информации [2]. Число перестраиваемых частот (М) и порядок их чередования во времени и полосе частот определяется кодами со случайной структурой.

Таким способом за счет расширения полосы частот, занимаемой сигналом в эфире, обеспечивается выделение полезного сигнала при отношении сигнал/помеха во много раз меньшего единицы.

Известен способ приема радиосигналов, излучаемых по принципу частотно-временной матрицы, в частности, для сигналов с побитовой ППРЧ и случайной двоичной частотной модуляцией, когда кодовые символы 0 и 1 выбираются независимо друг от друга во всей полосе частот Δf_общ, т.е. когда в одно и то же время передается М символов на различных частотах, используется многоканальное приемное устройство, число приемников в котором определяется числом М частотных позиций радиосигнала [3]. В каждый такой приемник входят: входной усилитель, смеситель, гетеродин, усилители промежуточной частоты, полосовые фильтры, демодулятор.

Структура устройства для осуществления такого способа традиционна и содержит входной усилитель, смеситель и гетеродин (синтезатор частот), усилители и полосовой фильтр, демодулятор с системой обработки сигналов.

Известное устройство является многоканальным, имеет М смесителей, М гетеродинов и М трактов фильтрации, демодуляции и обработки сигнала, т.е. содержит М приемных устройств.

Однако такие способ и устройство передачи сигналов не могут быть применены в телеметрии, т.к. их реализация потребовала бы использования неоправданно большой полосы частот в эфире, а устройство приема таких сигналов требует применения М приемных трактов, что сложно и дорого.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемым способу передачи и приема телеметрической информации и устройству для его осуществления является способ передачи телеметрической информации с частотно-временным уплотнением радиоканала и аналого-цифровым методом модуляции несущей частоты и устройство для его осуществления [4], при которых передача информации производится по N (где N=2, 4, 8, ...) синхронным потокам, в каждом из которых на тактовой частоте F_так осуществляется разделение каналов во времени со скважностью Q=2; при этом каждый поток отделен от соседнего по несущей частоте на частотный интервал, равный Δf_р=F_так*n (где n=5,7,...) и сдвинут по времени на половину такта

Устройство, реализующее этот способ, содержит: генератор тактовых частот; делитель частоты; формирователь маркерного импульса; ключ; коммутаторы тактовых частот; сумматоры; формирователи частотной «подставки»; частотные модуляторы; фазовые детекторы; управляемые генераторы; опорный генератор; усилители мощности; сумматор мощности.

Недостатком этого технического решения является то, что оно не позволяет эффективно сузить спектр излучаемого сигнала за счет безразрывности фазы несущего колебания при передаче N потоков (от первого до N), т.к. неразрывность фазы в известном техническом решении обеспечивается только при попарной передаче потоков, например, 1-го и 2-го, 3-го и 4-го, 5-го и 6-го и т.д. Передача информации без разрыва фазы несущего колебания от первого до N-го потока не обеспечивается.

Ожидаемым техническим результатом способа и устройства передачи и приема телеметрической информации с частотно-временным уплотнением каналов является увеличение пропускной способности радиолинии в ограниченной полосе частот за счет неразрывности фазы несущего колебания при переходе от одного потока к другому и соответствующее сужение спектра излучаемого многопоточного радиосигнала, при этом обеспечивается сохранение энергетического потенциала радиолинии за счет прохождения в приемном тракте каждого потока на своей несущей частоте через фильтр с полосой пропускания, оптимизированной к тактовой частоте видеопотока F_так.

Для этого в способе передачи и приема информации с частотно-временным уплотнением радиоканала и аналого-цифровым частотным или фазовым методом модуляции несущей частоты N (где N=2,4,8...)синхронными видеопотоками, в каждом из которых на тактовой частоте F_так осуществляется разделение каналов во времени со скважностью Q=2, при этом каждый поток разнесен от соседнего по несущей частоте на частотный интервал Δf_р=F_так*n (где n=5, 7,...) и сдвинут по времени на половину такта ,модуляцию несущей частоты передатчика осуществляют видео потоком на интервале времени с последующим переходом без разрыва фазы несущего колебания к модуляции следующего потока и так до N-го потока с возвратом к первому, при этом частотный разнос между соседними потоками Δf_p обеспечивают подачей на N/2 частотные модуляторы N/2 ступенчатых напряжений с числом ступеней N в каждом и сдвинутых между собой по времени на 2 τ, а в приемном тракте N-поточный радиосигнал после усиления и прохождения через широкополосный фильтр с полосой пропускания, равной

ΔfΣ Ν=Δf_p (N-1)+Δf_п,

где Δf_п=2F_так - ширина спектра одного потока, подают на вход N фильтров, каждый из которых пропускает радиосигнал соответствующей частоты потока и имеет полосу пропускания Δf_п.

Кроме того, в устройство для осуществления способа по п.1, содержащее опорный генератор несущих частот (19), первый и второй управляемые генераторы (17, 18), первый и второй усилители мощности (20, 21), первый и второй частотные модуляторы (13, 14), первый и второй фазовые детекторы (15, 16), первый и второй формирователи частотной «подставки» (11, 12), первый и второй сумматоры (8, 9), четыре коммутатора (4, 5, 6, 7), осуществляющие сбор измерительной информации, и генератор тактовых частот (1), противофазные выходы 1 и 2 которого соединены попарно с входами коммутаторов (4, 6 и 5, 7), причем выход 1 соединен также с входом 1 первого формирователя частотной «подставки» (11), выходы коммутаторов (4, 5) соединены с входами первого сумматора (8), а выходы коммутаторов (6, 7) - с входами второго сумматора (9); выходы фазовых детекторов (15, 16) соединены с входами 2 частотных модуляторов (13, 14), входы 3 фазовых детекторов (15, 16) соединены с выходами 1, 2 опорного генератора несущих частот (19), входы 2 фазовых детекторов (15, 16) соединены с выходами 1 управляемых генераторов (17, 18), выходы 2 которых соединены с входами усилителей мощности (20, 21), а входы 3 - с выходами частотных модуляторов (13, 14), входы 3 которых соединены с выходами формирователей частотной «подставки» (11, 12), выходы усилителей мощности (20, 21) соединены с входами сумматора мощности (22), введены умножитель (2), коммутатор видеосигналов (3), линия задержки (10), передающая антенна (23), подключенная на выход сумматора мощности (22), вход умножителя (2) подключен к выходу 3 генератора тактовых частот (1), а выход - к входу 1 коммутатора видеосигналов (3), выходы 6, 7 которого соединены соответственно с входами 1 частотных модуляторов (13, 14), выходы 3 сумматоров (8, 9) соединены с входами 2, 4 и 3, 5 коммутатора видеосигналов (3), вход линии задержки (10) соединен с выходом 2 генератора тактовых частот (1), а выход - с входом второго формирователя частотной «подставки» (12), а также, последовательно соединенные приемная антенна (24), входной усилитель (25), первый смеситель (26), первый усилитель промежуточной частоты (28), второй смеситель (27), второй усилитель промежуточной частоты (29), полосовой фильтр (32), блок фильтров (33), состоящий из N узкополосных фильтров, выходы которых через соответствующие N демодуляторов блока демодуляторов (34) соединены с входами регистратора (35), первый и второй гетеродины (30, 31), выходы которых соединены с входами 3 смесителей (26, 27) соответственно.

Функционирование N поточной радиолинии рассмотрим на примере четырехпоточного (N=4) радиосигнала.

На фиг. 1 приведена структура видео- и радиосигнала однопоточной телеметрической системы, используемая для формирования многопоточного сигнала, в том числе:

а) видеоимпульсы на входе частотного модулятора однопоточного передатчика;

б) импульсы, запирающие выходной каскад передатчика и обеспечивающие излучение сигналов в эфир со скважностью Q=2;

в) радиоимпульсы на выходе передатчика.

На фиг.2 приведена структура четырехпоточного радиосигнала.

На фиг.3 приведен порядок поочередной модуляции каналов каждого потока в четырехпоточной структуре радиосигнала.

На фиг.4 приведены четырехступенчатые напряжения «подставки» на входе частотных модуляторов передатчика.

На фиг.5 приведена блок-схема устройства формирования, излучения (фиг.5.1) и приема (фиг.5.2) четырехпоточного радиосигнала с непрерывной фазой несущего колебания.

В однопоточном передатчике измерительная информация передается методом частотной модуляции (ЧМ) несущей частоты в аналоговой или цифровой форме (используется модуляция АИМ/КИМ - ЧМ), где АИМ - амплитудно-импульсная модуляция, КИМ - кодоимпульсная модуляция. При формировании многопоточного сигнала метод модуляции несущей каждого потока сохраняется прежним.

При переходе к двухпоточной радиолинии (увеличение информативности системы вдвое) в паузах однопоточной f_п1 радиолинии (фиг.2) размещается второй поток f_п2, работающий на той же тактовой частоте F_так, что и первый поток. Для обеспечения приема этих потоков без взаимовлияния несущие частоты обоих потоков разносятся на частотный интервал Δf_p=F_так*n (где n=5, 7... - целое нечетное число, определяемое экспериментально по минимуму допустимого взаимовлияния между потоками при минимальном частотном разносе).

При переходе к четырехпоточной радиолинии (увеличение информативности в четыре раза по сравнению с однопоточной радиолинией) формирование четырехпоточного радиосигнала осуществляется из двух синхронных двухпоточных сигналов (фиг.2), при этом все потоки синхронизируются от одного генератора тактовых частот (1), работающего на частоте F_так; второй поток размещен в паузах первого потока; третий поток - в паузах второго; четвертый - в паузах третьего; потоки 1 и 2; 2 и 3; 3 и 4 разнесены во времени на интервал и по несущей частоте на частотный интервал Δf_p=F_так*n (где n=5, 7...). Потоки 1, 2, 3, 4 модулируются поочередно, в порядке следования каналов (фиг. 3), после модуляции четвертого потока несущая частота f_н4 скачком возвращается к несущей f_н1. Частотный разнос между потоками Δf_p обеспечивается подачей четырехступенчатых напряжений на частотные модуляторы (13, 14) (фиг.3). Система ФАПЧ обеспечивает переход от потока к потоку без разрыва фазы несущего колебания.

Устройство для осуществления способа содержит: генератор тактовых частот (1); умножитель (2); коммутатор видеосигналов (3); коммутаторы (4), (5), (6), (7); сумматоры (8), (9); линию задержки (10); формирователи частотной «подставки» (11), (12); частотные модуляторы (13), (14); фазовые детекторы (15), (16); управляемые генераторы (17), (18); опорный генератор (19); усилители мощности (20), (21); сумматор мощности (22); передающую антенну (23); приемную антенну (24); входной усилитель (25), смесители (26), (27); усилители промежуточной частоты (28), (29); гетеродины (30), (31); полосовой фильтр (32); блок фильтров (33); блок демодуляторов (34); регистратор (35).

Устройство работает следующим образом: четыре коммутатора (4, 5, 6, 7), осуществляющие сбор измерительной информации, синхронизируются от одного генератора тактовых частот (1), работающего на частоте F_так.

В устройстве используется два тракта модуляции несущей частоты.

В каждый тракт входят: частотный модулятор (13, 14), формирователь частотной «подставки» (11, 12), фазовый детектор (15, 16), управляемый генератор (17, 18), охваченные цепью ФАПЧ, и опорный генератор (19), работающий на оба фазовых детектора (15, 16). На оба тракта модуляции с выхода коммутаторов (4, 5, 6, 7) измерительная информация потоков 1, 2, 3, 4 подается на частотные модуляторы (13, 14) через ключи 1 и 2 коммутатора видео сигналов (3). Синхронизация работы ключей 1 и 2 осуществляется таким образом, что на вход частотного модулятора (13) через ключ 1 последовательно поступает информация потоков 1 и 2 (вход 2 коммутатора видеосигналов 3), а затем потоков 3 и 4 (вход 3 коммутатора 3); на частотный модулятор (14) через ключ 2 поступает информация потоков 3 и 4 (вход 5 коммутатора 3), а затем потоков 1 и 2 (вход 4 коммутатора 3). В результате через частотные модуляторы (13 и 14) на вход управляемых генераторов (17 и 18) поступает информация с 1-го по 4-й поток с последующим повторением - опять с 1-го по 4-й и т.д.

На каждый частотный модулятор с выхода формирователей частотной «подставки» (11, 12) поступает четырехступенчатое напряжение (фиг.4) с частотой коммутации ступеней, равной 2F_так, при этом напряжение на входе модулятора (14) оказывается задержанным по времени относительно напряжения на входе модулятора (13) на 2 τ. Это четырехступенчатое напряжение обеспечивает скачкообразные изменения частоты модулятора и «раздвижку» по частоте потоков 1 и 2, 2 и 3, 3 и 4 на частотный разнос Δf_p=F_так*n, при этом «скачок» частоты происходит без разрыва фазы несущего колебания.

Кольцо фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) - блоки (13), (15), (17), (19) - обеспечивает подстройку несущей частоты потока по уровню маркерного импульса, значение которого соответствует середине измерительной шкалы потока и номинальному значению несущей частоты излучаемого сигнала. Работа ФАПЧ обеспечивает привязку несущих частот потоков 1, 2, 3, 4 между собой и к частоте опорного генератора (19).

Высокочастотные сигналы с выхода управляемых генераторов (17, 18) после усиления по мощности усилителями мощности (20, 21) суммируются в сумматоре (22) и через бортовую антенну (23) излучаются в эфир.

В приемном устройстве сигналы принимаются антенной (24), усиливаются усилителями УВЧ (25), УПЧ (28, 29), при этом конвертируются в первую и вторую промежуточные частоты, проходят через широкополосный фильтр (32), обеспечивающий прохождение суммарного четырехпоточного радиосигнала без искажений. С выхода широкополосного фильтра (32) сигналы промежуточной частоты поступают на блок разделительных фильтров (33), состоящий из N (в данном случае из четырех) фильтров Ф1, Ф2, Ф3, Ф4, каждый из которых настроен на несущую частоту соответствующего потока f_п1, f_п2, f_п3, f_п4 и имеет полосу пропускания, равную Δf_п. После прохождения фильтров сигналы демодулируются в блоке демодуляторов (34) и регистрируются в блоке (35).

Источники изобретения

1. Крэсснер. Г.Н.Михаелс, Дж.В., «Введение в системы космической связи» / гл.7, изд.1967 г.

2. Борисов В.И., Зинчук В.М. «Помехозащищенность систем радиосвязи» М., Радио и связь, 2000 г.

3. А.с. №938417, 1982 г.

4. Патент РФ №2236754, 2004 г.

1. Способ передачи и приема телеметрической информации с частотно-временным уплотнением радиоканала и аналого-цифровым методом частотной (фазовой) модуляции несущей частоты N (где N=2,4,8...) синхронными видеопотоками, в каждом из которых на тактовой частоте F_так осуществляется разделение каналов во времени со скважностью Q=2, при этом каждый поток разнесен от соседнего по несущей частоте на частотный интервал Δf_p=F_так·n (где n=5,7...) и сдвинут по времени на половину такта , отличающийся тем, что, с целью сужения спектра излучаемых радиосигналов, модуляцию несущей частоты передатчика осуществляют видеопотоком на интервале времени с последующим переходом без разрыва фазы несущего колебания к модуляции следующего потока и так до N-го потока с возвратом к первому, при этом частотный разнос между соседними потоками Δf_p обеспечивают подачей на N/2 частотные модуляторы N/2 ступенчатых напряжений, с числом ступеней N в каждом, и сдвинутых между собой по времени на 2 τ, а в приемном тракте N-поточный радиосигнал после усиления и прохождения через широкополосный фильтр с полосой пропускания, равной Δf_ΣN=Δf_p·(N-1)+Δf_п, где Δf_п=2F_так - ширина спектра одного потока, подают на вход N фильтров, каждый из которых настроен на частоту соответствующего потока и имеет полосу пропускания Δfn.

2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее опорный генератор несущих частот (19), первый и второй управляемые генераторы (17, 18), первый и второй усилители мощности (20, 21), первый и второй частотные модуляторы (13, 14), первый и второй фазовые детекторы (15, 16), первый и второй формирователи частотной «подставки» (11, 12), первый и второй сумматоры (8,9), четыре коммутатора (4, 5, 6, 7), осуществляющие сбор измерительной информации; генератор тактовых частот (1), противофазные выходы 1 и 2 которого соединены попарно с входами коммутаторов (4, 6 и 5, 7), причем выход 1 соединен также с входом первого формирователя частотной «подставки» (11), выходы коммутаторов (4,5) соединены с входами первого сумматора (8), а выходы коммутаторов (6,7) - с входами второго сумматора (9); выходы фазовых детекторов (15, 16) соединены с входами 2 частотных модуляторов (13, 14), входы 3 фазовых детекторов (15, 16) соединены с выходами 1, 2 опорного генератора несущих частот (19), входы 2 фазовых детекторов (15, 16) соединены с выходами 1 управляемых генераторов (17, 18), выходы 2 которых соединены с входами усилителей мощности (20, 21), а входы 3 - с выходами частотных модуляторов (13, 14), входы 3 которых соединены с выходами формирователей частотной «подставки» (11, 12), выходы усилителей мощности (20, 21) соединены с входами сумматора мощности (22), отличающееся тем, что в него введены: умножитель (2), коммутатор видеосигналов (3), линия задержки (10), передающая антенна (23), подключенная на выход сумматора мощности (22), вход умножителя (2), подключен к выходу 3 генератора тактовых частот (1), а выход - к входу 1 коммутатора видео сигналов (3), выходы 6,7 которого соединены соответственно с входами 1 частотных модуляторов (13, 14), выходы 3 сумматоров (8, 9) соединены с входами 2, 4 и 3, 5 коммутатора видеосигналов (3), вход линии задержки (10) соединен с выходом 2 генератора тактовых частот (1), а выход - с входом второго формирователя частотной «подставки» (12); а также последовательно соединенные приемная антенна (24), входной усилитель (25), первый смеситель (26), первый усилитель промежуточной частоты (28), второй смеситель (27), второй усилитель промежуточной частоты (29), полосовой фильтр (32), блок фильтров (33), состоящий из N узкополосных фильтров, выходы которых через соответствующие N демодуляторов блока демодуляторов (34) соединены с входами регистратора (35), первый и второй гетеродины (30, 31), выходы которых соединены с входами 2 смесителей (26, 27).