Патент на изобретение №2311657

(54) ПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБСТАНОВКИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к радиосвязи в режиме приема сигналов. Достигаемый технический результат – повышение помехоустойчивости при воздействии мощных сосредоточенных по частоте помех. Указанный результат достигается за счет того, что приемное устройство содержит k преобразователей частоты и блоков полосовой фильтрации с амплитудным детектированием, блок анализа, блок синхронизации, k блоков генерации скачущей частоты, k управляемых аттенюаторов, сумматор, блок управления аттенюаторами и блок формирования интервалов времени, определенным образом соединенных между собой. 16 ил.f_ПФ, определяемой полосовым фильтром. В простейшем случае за К шагов длительностью Т каждый просматривается диапазон частот К f_ПФ.

В книге «Помехозащищенность систем радиосвязи», Борисов В.И., Зинчук В.М. М., Радио и связь. 1999 г. [1] также приведен алгоритм контроля электромагнитной обстановки (ЭМО), который заключается в последовательной настройке на отрезок времени Т центральной частоты полосового фильтра, на заданные частоты из выбранного диапазона частот и в анализе мощности в полосе этого фильтра на каждой из частот. Как правило, шаг между частотами равен полосе пропускания фильтра. Временной график такой работы приведен на фиг.1, взятый из [1], на графике по оси Х отложены отрезки времени Т, а на оси Y частоты от f_MIN до f_MAX.

Согласно графику на фиг.1 приемное устройство за время Т перестраивается скачками по частоте и в течение отрезков времени Т=Т/6 принимает сигналы в полосе f_ПФ последовательно частот f₁-f_MIN, затем f₂-f₁, f₃-f₂, f₄-f₃, f₅-f₄ и f_MAX-f₅. Таким образом осуществляется последовательный во времени анализ электромагнитной обстановки в полосе частот f_MAX-f_MIN, в соответствии с графиком на фиг.1 анализ повторяется периодически [1], стр.64, 65.

В [1] приведены блок-схемы (стр.105 рис.1.5.2) устройств, которые реализуют указанный выше последовательный алгоритм контроля. Кроме того, в [1] рассмотрена возможность увеличения скорости анализа (улучшения точности анализа) за счет выполнения полосового фильтра в виде суммы N фильтров (например, стр.111 рис.1.5.7), в которых происходит деление общей полосы полосового фильтра на несколько примыкающих по частоте полос. Причем мощность сигнала измеряется в каждой из полос отдельно. Отметим, что в функциональных схемах 1.5.2 и 1.5.7 преобразователь частоты, гетеродин и полосовой фильтр, т.е. 1, 2, 3 блоки, объединены в линейный тракт приемника – блок ЛТП.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является приемное устройство, представленное на рис.1.5.3 стр.105 [1], принятое за прототип.

Схема устройства-прототипа представлена на фиг.2, где обозначено:

1 – антенна;

2 – преобразователь частоты;

3 – полосовой фильтр;

4 – блок возведения в квадрат;

5 – интегрирующий блок;

6 – синтезатор частот;

7 – блок управления прыжками по частоте (БУППЧ);

8 – генератор синхросигналов;

9 – блок управления программой функционирования поиска (БУПФП);

10 – блок сравнения;

11 – ключ.

Устройство-прототип содержит последовательно соединенные преобразователь частоты 2, полосовой фильтр 3, блок возведения в квадрат 4, интегрирующий блок 5, блок сравнения 10 и ключ 11. Кроме того, последовательно соединенные генератор синхросигналов 8, БУППЧ 7 и синтезатор частот 6, выход которого соединен со вторым входом преобразователя частоты 2, а также БУПФП 9, первый вход которого соединен со вторым выходом блока сравнения 10, а второй вход – со вторым выходом генератора синхросигналов 8, третий выход которого соединен с управляющим входом синтезатора частот 6. При этом третий выход БУПФП 9 соединен со вторым входом БУППЧ 7. Первый выход блока сравнения 10 соединен с входом генератора синхросигналов 8, а один из выходов БУППЧ 7 соединен со вторым входом ключа 11, выход которого является выходом устройства.

Работает устройство следующим образом.

БУППЧ 7 по команде с БУПФП 9 дает команду синтезатору 6 на последовательную установку частот на заданные отрезки времени. В течение каждого отрезка времени принятые от антенны 1 сигналы фильтруются полосовым фильтром 3, детектируются в последовательно включенных блоках 4 и 5 и подаются в блок сравнения 10, в котором в зависимости от уровня сигнала, поступающего с блока 5, вырабатываются два варианта команд на выходе блока сравнения 10:

– при наличии сигнала на первом выходе 1, а на втором 0;

– при отсутствии сигнала на первом выходе 0, а на втором 1.

В первом варианте командой с первого выхода блока 10 открывается ключ 11 и на выход устройства сообщается код частоты. Во втором варианте поиск продолжается, и ключ 11 не открывается. Изложенная выше работа устройства происходит синхронно под воздействием генератора синхросигналов 8.

Укрупним схему устройства-прототипа для рассмотрения предлагаемого нами устройства. Для этого целесообразно объединить функции части блоков, а именно полосовой фильтр 3 и блоки 4 и 5 – в блок полосовой фильтрации с амплитудным детектированием 2, блоки 6 и 7 – в блок генерации скачущей частоты 3, блоки 10 и 11 в блок анализа 4, блоки 8, 9 – в блок синхронизации 5.

Укрупненная блок-схема устройства-прототипа приведена на фиг.3, где обозначено:

1 – преобразователь частоты;

2 – блок полосовой фильтрации с амплитудным детектированием;

3 – блок генерации скачущей частоты;

4 – блок анализа;

5 – блок синхронизации.

Устройство-прототип содержит последовательно соединенные преобразователь частоты 1, блок полосовой фильтрации с амплитудным детектированием 2, блок анализа 4, выход которого является выходом устройства. Кроме того, последовательно соединенные блок синхронизации 5 и блок генерации скачущей частоты 3, выход которого соединен со вторым входом преобразователя частоты 1, при этом выход блока синхронизации 5 соединен со вторым входом блока анализа 4.

Работает устройство-прототип следующим образом.

Блок синхронизации 5 выдает команду на блок генерации скачущей частоты 3, который устанавливает частоту колебания f_0Г на время Т, и тем самым на время Т устанавливается полоса анализа входных сигналов, равная f_ПФ, полосе пропускания блока полосовой фильтрации с амплитудным детектированием 2 на частоте f₀, определяемой частотой блока генерации скачущей частоты 3 и средней частотой блока полосовой фильтрации с амплитудным детектированием 2. В течение отрезка времени T входной сигнал на указанных частотах накапливается на выходе устройства 2. По истечении отрезка времени T, по команде с блока синхронизации 5, во-первых, блок анализа 4 считывает напряжения с выхода устройства 3 и передает их на выход в течение последующего отрезка времени Т, во-вторых, в блоке генерации скачущей частоты 3 изменяется частота с f_0Г на частоту f_1Г.

В течение второго отрезка времени T блок полосовой фильтрации с амплитудным детектированием 2 анализирует сигнал в другой области частот, причем полоса анализа сохраняется, а меняется частота f₀ на частоту f₁. По истечении второго отрезка времени T, по команде с блока синхронизации 5, во-первых, блок анализа 4 считывает напряжения с выхода блока 3 и передает их на выход в течение последующего отрезка времени T, во-вторых, в блоке генерации скачущей частоты 3 изменяется частота с f_1Г на частоту f_2Г.

Так происходит К раз, пока не будет просмотрен весь участок частот, определенных для анализа.

Для простоты, не теряя общности, рассмотрим конкретный случай К=3.

На фиг.4 представлен энергетический спектр в диапазоне частот от (f₀-0.5f_ПФ) до (f₀+0.5f_ПФ), (f₁-0.5f_ПФ) до (f₁+0.5f_ПФ), (f₂-0.5f_ПФ) до (f₂+0.5f_ПФ). На фиг.5а, 5б, 5в графически изображены отрезки времени приема Т сигнала на частотах f₀, f₁, f₂.

Отметим, что прядок и расположение на частотной оси f₀, f₁, f₂… f_К не играют роли. Например, анализируемые частотные участки могут примыкать друг к другу, быть расположены по возрастанию, убыванию средней частоты и/или в любой другой последовательности. С учетом энергетической плотности сигналов на входе устройства (фиг.4) на фиг.6 показано измеренное значение. Выходное напряжение блока полосовой фильтрации с амплитудным детектированием 2 подается на вход блока анализа 4 для дальнейшей обработки и выдачи выходных данных.

Таким образом, на выходе блока 2 формируется напряжение, пропорциональное мощности сигналов в полосе фильтра блока 2. В качестве примера на фиг.4 показана энергетическая плотность сигналов на входе устройства 2, а на фиг.6 – измеренное значение напряжения на выходе схемы анализа 4. Такая работа позволяет получить энергетический спектр в полосе частот от f₁-0.5f_ПФ до f₁+2f_ПФ+0.5f_ПФ за время 3Т.

Рассмотрим работу устройства-прототипа при наличии в полосе узкополосной помехи величиной В.

Пусть помеха по уровню превосходит минимальный сигнал на В=80 дБ и имеет частоту f_ПМ (фиг.7), тогда будучи подключенной ко входу на время T она создаст спектр

S(f_ПМ+f)=sin(fT/2)/(fT/2)

Максимальное значение S(f_ПМ+f) принимает в точках f=(2n-1)/T, где n – нечетное число, n=(2k-1) при k=1,2. Величина этих максимумов 2/[(2n-1)]. На фиг.8 приведено значение S(f_ПМ+f) при небольших величинах f, а на фиг.9 – зависимость максимумов при больших отстройках.

Для исключения влияния помехи величиной 80 дБ на обнаружение сигналов уровнем 0 дБ необходимо ее ослабить на (86-90) дБ. В соответствии с фиг.9 требуется отстройка на |f|>2·10⁴ (1/Т). При T=2 мс отстройка |f|>10 МГц, т.е. в полосе f_ПМ±10 МГц анализ спектра будет затруднен. Помеха будет маскировать сигнал, причем тем сильнее, чем ближе частота этого сигнала к f_ПМ. Действие помехи можно представить на графике фиг.10, линия 1, если принять на фиг.4-7 значение полосы f_ПФ=2 МГц.

Увеличение мощности помехи или одновременное воздействие нескольких мощных узкополосных помех значительно ухудшит ситуацию.

Таким образом, работа прототипа в условиях узкополосных помех неэффективна.

Недостатком устройства-прототипа является низкая помехозащищенность от мощных сосредоточенных по частоте помех, даже если частота этой помехи не совпадает с каким-либо принимаемым интервалом частот.

Нами предлагается устройство, свободное от этого недостатка.

Для устранения указанного недостатка в приемное устройство для анализа электромагнитной обстановки, содержащее последовательно соединенные первый преобразователь частоты и первый блок полосовой фильтрации с амплитудным детектированием, а также блок анализа, выход которого является выходом устройства, первый блок генерации скачущей частоты, выход которого соединен со вторым входом первого преобразователя частоты, и блок синхронизации, выход которого соединен со вторым входом блока анализа, согласно изобретению введены (k-1) последовательно соединенных преобразователей частоты и блоков полосовой фильтрации с амплитудным детектированием, (k-1) блоков генерации скачущей частоты, выход каждого из которых соединен со вторым входом соответствующего преобразователя частоты, k управляемых аттенюаторов, а также сумматор, блок управления аттенюаторами и блок формирования интервалов времени, причем выходы k блоков полосовой фильтрации с амплитудным детектированием соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого соединен с первым входом блока анализа, выход блока синхронизации соединен с входами блоков управления аттенюаторами и формирования интервалов времени, k выходов которого соединены с входами соответствующих k генераторов скачущей частоты, причем выходы (k-1) генераторов скачущей частоты соединены со вторыми входами соответствующих преобразователей частоты, k выходов блока управления аттенюаторами соединены со вторыми входами соответствующих k аттенюаторов, выход каждого из которых соединен с первым входом соответствующего преобразователя частоты, первые входы k аттенюаторов объединены и являются входом устройства.

Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.11, где обозначено:

1.1-1.k – преобразователь частоты;

2.1-2.k – блок полосовой фильтрации с амплитудным детектированием;

3.1-3.k – генератор скачущей частоты;

4 – блок анализа;

5 – блок синхронизации;

6 – сумматор;

7 – блок управления аттенюаторами;

8 – блок формирования интервалов времени;

9.1-9.k – управляемые аттенюаторы.

Предлагаемое устройство содержит k параллельно соединенных аттенюаторов 9.1-9.k, первые входы которых объединены и являются входом устройства, а выход каждого из k аттенюаторов 9 соединен с первым входом соответствующего преобразователя частоты 1.1-1.k, выходы которых через соответствующие блоки полосовой фильтрации с амплитудным детектированием 2.1-2.k соединены с соответствующими входами сумматора 6, выход которого соединен с первым входом блока анализа 4, выход которого является выходом устройства. Кроме того, выход блока синхронизации 5 соединен с входами блока управления аттенюаторами 7, блока формирования интервалов времени 8 и вторым входом блока анализа 4. При этом выходы блока управления аттенюаторами 7 соединены со вторыми входами соответствующих аттенюаторов 9.1-9.k, а выходы блока формирования интервалов времени 8 соединены с входами соответствующих генераторов скачущей частоты 3.1-3.k, выходы которых соединены со вторыми входами соответствующих преобразователей частоты 1.1-1.k.

Работает предлагаемое устройство следующим образом.

Входные сигналы во всей полосе частот поступают на входы параллельно включенных k управляемых аттенюаторов 9.1-9.k, на второй вход каждого из которых подается управляющее напряжение от блока управления аттенюаторами 7. Это напряжение на отрезке времени k T изменяет коэффициент затухания соответствующего аттенюатора 9 в зависимости от времени. Для первого аттенюатора в начале от 0 до T [(k/2)-1/2] затухание падает, затем, во второй отрезок времени, от T [(k/2)-1/2] до T [(k/2)+1/2] затухание изменяется слабо и минимально по величине, в третий отрезок времени от Т [(k/2)+1/2] до Т k, во втором аттенюаторе затухание изменяется от времени аналогично, но начало его работы происходит с запозданием на Т, соответственно первая область будет от T до T [(k/2)+1/2], вторая – от T [(k/2)+1/2] до T (k+1) и т.д. Таким образом, в течение отрезка времени kТ, конкретно от Т [(k/2)-1/2] до T [k+(k/2)-1/2], входной сигнал будет поступать поочередно на входы соответствующих преобразователей 1.1-1.k, на второй вход которых подается сигнал от соответствующего генератора скачущей частоты 3.1-3.k, на отрезок времени Т k. Для преобразователя 1.1 – от 0 до T k, для преобразователя 1.2 – от T до Т (k+1), для последнего k-го – от T (k-1) до T (2k-1). Сигналы после селекции и детектирования с выходов блоков полосовой фильтрации с амплитудным детектированием 2.1-2.k суммируются в сумматоре 6 и подаются в блок анализа 4 для создания выходной информации, на второй вход которого подается последовательность импульсов с выхода блока синхронизации 5. Та же последовательность импульсов с выхода блока синхронизации 5 подается одновременно на входы блока управления аттенюаторами 7 и блока формирования интервалов времени 8.

Выходные сигналы блоков 7 и 8, как было показано выше, определяют работу аттенюаторов 9.1-9.k и преобразователей 1.1-1.k.

Покажем эффективность работы предлагаемого устройства.

Для количественной оценки рассмотрим самый простой случай: k=2.

Сначала пронормируем текущее время t к временному отрезку Т и введем обозначение x=t/Т.

Пусть под воздействием сигнала управления блока 7 коэффициент передачи R₁(x) первого 9.1 и R₂(x) второго 9.2 аттенюаторов, обратный величине затухания, меняется в соответствии с формулами:

Т (в общем случае kТ). Условно определим их работу формулами:

Теперь можно на фиг.12 представить изменение от времени коэффициентов передачи R₁(x) первого 9.1 и R₂(x) второго 9.2 аттенюаторов, а также время работы соответствующих преобразователей 1.1 и 1.2.

В этом случае спектр от сосредоточенной по частоте помехи можно определить в зависимости от =f·Т, где f – частота.

В этом случае спектр от сосредоточенной по частоте помехи показан на фиг.13.

Из фиг.13 видно, что при работе предлагаемого устройства расширение спектра помехи мало. По сравнению с прототипом выигрыш составляет десятки раз. На фиг.14 приведена качественная картина работы прототипа и предлагаемого устройства, где показан пунктирной линией участок спектра, освобожденный от помехи, а точками – спектр, образованный помехой, при скачках приемного устройства по частоте.

Как и устройство-прототип, предлагаемое устройство ведет непрерывный по времени анализ электромагнитной обстановки в полосе, определяемой блоком фильтров, скачками по частоте, но анализ ведется поочередно k одинаковыми фильтрами, причем в течение времени T [(k/2)-1/2]. Коэффициент передачи аттенюатора на входе соответствующего фильтра монотонно увеличивается от 0 до величины, близкой к 1, затем в течение времени T от T [(k/2)-1/2] до T [(k/2)+1/2] постоянен или меняется незначительно, а затем в течение времени Т [(k/2)-1/2] монотонно уменьшается от величины, близкой к единице до 0. Общее время работы блока полосовой фильтрации с амплитудным детектированием 2 составляет k Т=Т [(k/2)-1/2]+T+T[(k/2)-1/2], из которого собственно работа с минимальным затуханием составляет только T, остальное время коэффициент передачи аттенюатора мал. Прием в остальное время поочередно выполняется через другие (k-1) блоки 2. Сигналы с выходов блоков 2 суммируются и подаются на вход блока анализа 4 для дальнейшей обработки.

Таким образом, предлагаемое устройство проводит контроль электромагнитной обстановки в присутствии узкополосных помех с высокой точностью.

Источники информации

1. «Помехозащищенность систем радиосвязи». Борисов В.И., Зинчук В.М. М., Радио и связь. 1999 г.

Формула изобретения

Приемное устройство для анализа электромагнитной обстановки, содержащее последовательно соединенные первый преобразователь частоты и первый блок полосовой фильтрации с амплитудным детектированием, а также блок анализа, выход которого является выходом устройства, первый блок генерации скачущей частоты, выход которого соединен со вторым входом первого преобразователя частоты, и блок синхронизации, выход которого соединен со вторым входом блока анализа, отличающееся тем, что введены (k-1) последовательно соединенных преобразователей частоты и блоков полосовой фильтрации с амплитудным детектированием, (k-1) блоков генерации скачущей частоты, выход каждого из которых соединен со вторым входом соответствующего преобразователя частоты, k управляемых аттенюаторов, а также сумматор, блок управления аттенюаторами и блок формирования интервалов времени, причем выходы k блоков полосовой фильтрации с амплитудным детектированием соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого соединен с первым входом блока анализа, выход блока синхронизации соединен с входами блоков управления аттенюаторами и формирования интервалов времени, k выходов которого соединены с входами соответствующих k генераторов скачущей частоты, k выходов блока управления аттенюаторами соединены со вторыми входами соответствующих k аттенюаторов, выход каждого из которых соединен с первым входом соответствующего преобразователя частоты, первые входы k аттенюаторов объединены и являются входом устройства.

РИСУНКИ