DE2615440C2

DE2615440C2 - Schaltungsanordnung zur Trennung gleichzeitig eintreffender Antworten in einem Sekundär-Radar-System

Info

Publication number: DE2615440C2
Application number: DE19762615440
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-El.-Ing. Hausen Hartmann
Original assignee: Patelhold Patenverwertungs and Elektro-Holding AG
Current assignee: Patelhold Patenverwertungs and Elektro-Holding AG
Priority date: 1976-02-27
Filing date: 1976-04-09
Publication date: 1985-11-28
Also published as: DE2615440A1; CH613527A5

Description

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Schaltungsanordnung zur Trennung gleichzeitig eintreffender Antworten in einem Sekundär-Radar-System nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der Luftkriegführung stellt sich das Problem, feindliche Flugzeuge von eigenen zu unterscheiden. Dies erfolgt i. a. mit Hilfe des sogenannten IFF-Systems (Identification Friend or Foe), welches normalerweise als Erweiterung des Sekundär-Radars ausgebildet ist.

Beim zivilen Sekundär-Radar sendet die bodenseitige Station periodisch ein Abfrage-Signal aus. Wenn sich ein mit einem entsprechenden Transponder ausgerüstetes Flugzeug im Strahl der Antenne befindet, löst das Abfrage-Signal eine Antwort des Transponders aus. Diese Antwort enthält in codierter Form Daten über das Flugzeug, z. B. Nummer, Flughöhe usw. Die Antwort wird bodenseitig empfangen und ausgewertet.

Das Prinzip des Sekundär-Radars liegt auch dem IFF-System zugrunde. Jedoch ist zwecks Verhinderung von Abfrage- bzw. Antwortvortäuschungen durch den Gegner eine Verschlüsselung der Abfragen und Antworten erforderlich. Dazu wird zusätzliche Information benötigt, wodurch die Abfragen bzw. Antworten langer werden als beim normalen Sekundär-Radar.

Werden zwei oder mehr Flugzeuge gleichzeitig abgefragt, so treffen beim bodenseitigen Empfänger zwei üzw. mehrere Antworten ein. Ist eine Distanz zu den einzelnen Flugzeugen verschieden, so treffen die Antworten der Flugzeuge zu verschiedenen Zeitpunkten ein und können separat verarbeitet werden. Sind hingegen zwei Flugzeuge nahe beieinander, so ist der Distanzunterschied gering, und die Antworten überlappen sich zeitlich. Dieser Fall wird in der englischsprachigen Literatur als »Garbling« bezeichnet. Eine Garbling-Situation kann um so eher entstehen, je langer die Antwort-Telegramme sind. Im IFF-Sytem können aber wegen der Verschlüsselung die Telegramme nicht beliebig kurz gemacht werden, und die Aufteilung eines Telegramms in mehrere kurze, getrennte Abschnitte verlagert nur das Problem in der Weise, daß dann nicht mehr bei geringen, sondern bei größeren Distanzunterschieden Garbling-Situationen auftreten.

Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, die beim gebräuchlichen IFF-System im Falle von Garbling-Situationen auftretenden Schwierigkeiten zu überwinden und eine Lösung anzugeben, bei welcher die verschlüsselten Antworten von zwei oder mehr Flugzeugen auch bei Gleichzeitigkeit oder zeitlicher Überlappung voneinander getrennt werden können.

Das Prinzip der spektralen Spreizung ist an sich bekannt und wird beispielsweise für die Übertragung von Signalen im gestörten elektromagnetischen Klima verwendet. In einem Modulator wird sendeseitig die Bandbreite des zu übertragenden Signals um zwei ode;· mehr Größenordnungen erhöht. Empfangsseitig wird durch Korrelation die Bandbreite des empfangenen Signals wieder auf die ursprüngliche Bandbreite reduziert, und die Störungen werden durch ein Tiefpaßfilter der ursprünglichen Signal-Bandbreite ausgefiltert. Die Energie von nicht korrelierten Störern wird durch die empfangsseitige Korrelation über die gesamte erhöhte Bandbreite verteil·, so daß nur ein geringer Teil davon vom Tiefpaßfilter durchgelassen wird.

Für unkorrelierte Störer ist das Pegel-Verhältnis »Nutzsignal NI Störsignal Sn am Ausgang des Demodulators um einen Faktor G besser als das Verhältnis »Nutzsignal Nl Störsignal St« am Eingang des Demodulators, wobei der Verbesserungsfaktor G durch das Verhältnis der Übertragungsbandbreite B_Ue zur Bandbreite ß, des ursprünglichen Signals gegeben ist (P = Pegel):

Pn

G =

= G

Ausgang

Eingang

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Die Antworten zweier gleich weit entfernter Flugzeuge treffen ungefähr gleichzeitig ein und weisen ungefähr die gleiche Feldstärke auf, d. h. ihr Verhältnis beträgt 0 dB. Sind beispielsweise die beiden Antworten mit einem Bandbreitenverhältnis von 100 unter Verwendung orthogonaler Codes gespreizt, so ergibt sich an den Ausgängen jedes der beiden Demodulatoren ein

Verhältnis — von 20 dB, was für die weitere Ver-

Ps ι

arbeitung genügend ist.

Die Erfindung sei jetzt anhand der Figuren beispielsweise erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschema des Systems,

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65 Fig. 2 ein akustisches Filter,

Fig. 3 ein Impulsdiagramm eines typischen Signals am Ausgang des als Korrelator dienenden akustischen Filters gemäß Fig. 2,

Fig. 4 ein Blockschema eines Demodulators mit Verwendung eines akustischen Filters und

Fig. 5, 6 zwei Varianten von erfindungsgemäß anwendbaren Modulationsverfahren.

Das Blockschema des vorgeschlagenen Systems ist aus Fig. 1 ersichtlich. Das Blockschema zeigt die Bodenstation B sowie die Sendepfade der von B abgefragten Flugzeuge F_x,..., F_m. F i g. 1 zeigt nur den Antwortweg, der Abfrageweg ist nicht gezeichnet. Die von einem Schlüsselrechner SR verschlüsselten flugzeugseitigen Antwort-Telegramme gelangen je Flugzeug auf den Eingang eines zugehörigen Spektral-Spreizungs-Modulators SSM; dabei werden an allen Modulatoren SMM verschiedene Codes (1 bis m) eingestellt, so daß die an den Ausgängen der verschiedenen Modulatoren SSM erscheinenden und jeweils einem Sender S zugefiihrten Signale in verschiedener Weise spektral gespreizt werden. Empfängerseitig ist in der Bodenstation ein einziger Empfanger E vorgesehen, der die von allen Sendern emittierten Signale empfangt, und am Ausgang dieses Empfängers E ist eine Ani^hl η > m Kanäle angeschlossen, deren jeder einen Spektral-Spreizungs-Demodulator SSD mit an dessen Ausgang angeschlossenem Schlüsselrechner SR enthält. Die Demodulation der Signale in den Kanälen 1 bis η erfolgt durch Demodulatoren SSD, welche das empfangene Signal mit den Codes der einzelnen Flugzeuge korrelieren, so daß am Ausgang der Schlüsselrechner SR die entschlüsselten und auf die ursprüngliche Bandbreite komprimierten Antworttelegramme verfügbar sind.

Die spektrale Spreizung kann mittels Frequenzumtastung, mittels einer Zeit-/Frequenzmatrix oder auch mittels Phasenumtastung verwirklicht werden. Im letzteren Fall werden dabei orthogonale Codes zur Spreizung verwendet, bei Frequenzumtastung dienen Sprungmuster zu diesem Zweck. Die Bodenstation muß in der Lage sein, die Signale sämtlicher Flugzeuge auszuwerten, d. h. es wird für jedes mögliche Flugzeugsignal ein separater Demodulator benötigt.

Von diesen Methoden verdient die Spreizung mittels Phasenumtastung den Vorzug; dabei werden sowohl füY die Erzeugung der Signale im Flugzeug als auch für deren Verarbeitung in der Bodenstation akustische Filter verwendet, welche die codierten Impulse auf der Zwischenfrequenz-Ebene (ZF) erzeugen bzw. verarbeiten.

Ein derartiges, auf dem Substrat SB aufgebrachtes Filter ist in Fig. 2 gezeigt. Wird ein kurzer Impuls an die Eingangsklemmen E angelegt, so erscheint an den Ausgangsklemmen A ein phasenmoduliertes Signal, dessen Frequenz durch den Abstand der einzelnen Finger und dessen Modulation (Code) durch die Anordnung der Finger-Gruppen gegeben ist (im Beispiel 001 ... 10).

Ein analoges Filter, jedoch mit gespiegelter Reihenfolge der Finger-Codierung (für das erwähnte Beispiel also 01 ... 100), kann als Demodulator verwendet werden. Dabei wirkt das Filter als signalangepaßtes Filter. Beim Anlegen des gewünschten Signals an die Eingangsklemmen E erscheint an den Ausgangsklemmen A ein Impuls hoher Amplitude, da sich alle Teüsignale phasengleich addieren. Ein typischer Verlauf des Ausgangssignals ist in Fig, 3 gezeigt. Wird hingegen ein unkorreliertes Signal an den Eingang des Filters gelegt, so erscheint am Ausgang kein Impuls, weil sich die Phasen der Teüsignale kompensieren. Mittels eines

nachgeschalteten Enveloppendetektors 5¹Z? und einer Schwellenschaltung SchW kann somit das Vorhandensein und der Zeitpunkt eines gewünschten Signals detektiert werden. Mithin besteht jeder Demodulator für ein bestimmtes Flugzeugsignal aus dem akustischen Filter AF', dem Enveloppendetektor ED und der Schwellenschaltung SchW, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist.

Typische Werte für die Realisierung der akustischen Filter sind beispielsweise eine Zwischenfrequenz (ZF) von 70 MHz, eine Teilsignal-Rate (A₇₃) von 10 Mbit/s und eine Informations-Rate (Rmf) von 100 kbit/s, woraus ein Verbesserungsfaktor von 20 dB resultiert. Um die Dauer der Telegramme möglichst kurz zu halten, ist eine möglichst hohe Informations-Rate erwünscht. Bei gleichbleibendem Verbesserungsfaktor bedingt dies eine hohe Teilsignal-Rate Ä_re und damit auch eine hohe Zwischenfrequenz ZF, um Verzerrungen durch spektrale Faltung zu vermeiden. Den dafür erforderlichen geringen Abmessungen der Leiteranordnungen auf dem Substrat des akustischen Filters sind jedoch von der Technologie her Grenzen gesetzt.

Die für das System erforderlichen orthogonalen Codes existieren und sind unter dem Namen Gold-Codes bekannt. Bei der Realisierung wird für jeden Code ein für diesen Code ausgelegtes Filter verwendet. Die Codierung kann dabei durch fest programmierte oder elektronisch steuerbare Filter erfolgen.

Der in Fig. 4 gezeigte Demodulator kommt in dem Fall zur Verwendung, wo vom Sender beim Anliegen einer »0« im Telegramm kein codierter Puls und beim Anliegen einer »1« ein codierter Puls ausgesendet wird: man spricht in diesem Fall von »Ein/Aus-Tastung«. Eine zweite Übertragungsmethode besteht darin, eine »0« mittels eines ersten codierten Pulses und eine »1« mittels eines zweiten, zum ersten orthogonalen Pulses zu übertragen (F i g. 5). Es bedeuten PG einen Pulsgenerator, £(0/1) den Signaleingang, wobei das Eingangssignal die binären Werte 0 bzw. 1 annehmen kann und je nach dem Signalniveau den Schalter SL in die erste oder zweite Position bringt, AF(CQ) bzw. AF(C 1) akustische Filter für »Code 0« bzw. »Code 1« (orthogonal zu Code 0), ein Σ ein Summierglied; auf der Empfangsseite findet man die zu den Filtern AF(CO) und AF(Cl) signalangepaßten akustischen Filter AF' (CO) und AF' (Cl), denen je ein Enveloppen-Detektor ED nachgeschaltet ist. Die Ausgangssignale a₀ bzw. <z, der beiden Enveloppen-Detektoren ED gelangen auf einem Komparator K, der, je nachdem α_ο>α_λ oderO₁ >a₀ an seinem Ausgang A das Signal »0« oder »1« liefert.

Eine weitere Übertragungsmethode besteht darin, eine »0« mittels eines codierten Pulses auf einer ersten Trägerfrequenz und eine »1« mittels desselben oder eines zum ersten orthogonalen Pulses auf einer zweiten Trägerfrequenz zu übertragen, wobei der Abstand der Trägerfrequenzen ein ganzes Vielfaches der Teilsignal-Rate R_TS beträgt, d. h.

nernSÄ(wieinFig. 1 angedeutet) oder seriell in einem einzigen schnellen Rechner erfolgen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

\fx-M~K-Rjs

mit K= 1,2, Dieses Übertragungssystem ist in

Fig. 6 schematisch dargestellt; gegenüber Fig. 5 bedeuten AF(J₀) bzw. AF (fx) akustische Filter mit den Frequenzen/₀ bzw./].

Die weitere Verarbeitung der Flugzeugantworten, d. h. der Ausgänge der Kanäle der Bodenstation (Fig. 1), kann entweder parallel in separaten Schlüsselrech-

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Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Trennung gleichzeitig eintreffender Antworten in einem Sekundär-Radar-System, insbesondere zur Unterscheidung von Antworttelegrammen bei der Identifizierung von Freund- bzw. Feindflugzeugen, wobei die Abfragen und Antworten zwecks Verhinderung von Abfrage- bzw. Antwortvortäuschungen verschlüsselt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Antworten verschiedener Flugzeuge (F₁,..., FJ mittels verschiedener Codes spektral gespreizt werden und daß in einer Bodenstation (B) die Antworttelegramme Demodulatoren (SSD) zugeführt werden, welche das empfangene Signal mit den Codes der einzelnen Flugzeuge korrelieren, so daß an Jen Ausgängen der Demodulatoren (6S¹Z)) die wieder auf die ursprüngliche Bandbreite komprimierten Antworttelegramme für die weitere Verarbeitung zur Verfiigung stehen.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 zur Trennung von Antworttelegrammen von einer Anzahl von Flugzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß das sendeseitige Antworttelegramm je Flugzeug von einem Schlüsselrechner (SR) verschlüsselt wird und auf den Eingang eines zugehörigen Spektral-Spreizungs-Modulators (SSM) gelangt und an allen Modulatoren (SSM) verschiedene Codes (1 bis m) eingestellt sind, so daß die an den Ausgängen der verschiedenen Modulatoren (SSM) erscheinenden und je einem Sender (S) zugefiihrten Signale in verschiedener Weise spektral gespreizt sind, daß empfängerseitig in der Bodenstation ein Empfänger (E) vorgesehen ist, der die von allen Sendern (S) emittierten Signale empfangt, daß am Ausgang des Empfängers (E) mindestens eine gleiche Anzahl (n ä m) Kanäle angeschlossen ist, deren jeder einen Spektral-Spreizungs-Demodulator (SSD) mit an dessen Ausgang angeschlossenem Schlüsselrechner (SR) enthält und die Demodulation der Signale in den Kanälen (1 bis n) durch die Demodulatoren (SSD) erfolgt, welche das empfangene Signal mit den Codes der einzelnen Flugzeuge (F₁, ...,FJ korrelieren, so daß am Ausgang der Schlüsselrechner (SR) die entschlüsselten und auf die ursprüngliche Bandbreite komprimierten Antworttelegramme verfügbar sind.

3. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die spektrale Spreizung in den Modulatoren (SSM) und die Kompression in den Demodulatoren (SSD) mittels Frequenzumtastung erfolgt und daß dabei für die von den verschiedenen Flugzeugen ausgesendeten Signale Sprungmuster als Codes zur Spreizung dienen.

4. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur spektralen Spreizung eine Zeit-Frequenz-Matrix dient.

5. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die spektrale Spreizung in den Modulatoren (SSM) und die Kompression in den Demodulatoren (SSD) mittels Phasenumtastung erfolgt und daß dabei für die von den verschiedenen Flugzeugen ausgesendeten Signale orthogonale Codes zur Spreizung dienen.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl für die Erzeugung der Signale im Flugzeug als auch für deren Verarbeitung in den Bodenstation akustische Filter (Fig. 2) verwendet werden, welche die codierten Impulse auf der Zwischenfrequenz-Ebene erzeugen bzw. verarbeiten, und für jeden Code ein für diesen Code ausgelegtes Filter zugeordnet ist

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierung durch fest programmierte Filter erfolgt

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß die Codierung durch elektronisch programmmierbare Filter erfolgt.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6,7 oder8, dadurch gekennzeichnet daß ein Demodulator jeweils ein dem auf der Sendeseite verwendeten Modulationsfilter (AF, Fig. 4) mit Übertragungselementen analoges akustisches Filter (AF', Fig. 4) mit gegenüber dem Modulator gespiegelter Codierung der Übertragungselemente umfaßt und dem akustischen Filter ein Enveloppendetektor (ED) und eine Schwellenschaltung (Sch W) in dieser Reihenfolge nachgeschaltet sind.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet daß vom Sender (S) beim Anliegen einer »0« im Telegramm kein codierter Puls und beim Anliegen einer »1« ein codierter Puls ausgesendet wird.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß vom Sender (S) beim Anliegen einer »0« ein erster codierter Puls und beim Anliegen einer »1« ein zweiter, zum ersten orthogonaler Puls ausgesendet wird (Fig. 5).

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß vom Sender (S) beim Anliegen einer »0« ein codierter Puls auf einer ersten Trägerfrequenz (/"„) und beim Anliegen einer »1« derselbe Puls oder ein dazu orthogonaler Puls auf einer zweiten Trägerfrequenz W₁) ausgesendet wird, wobei der Abstand der Trägerfrequenz ein ganzes Vielfaches der Teilsignal-Rate Ä_re beträgt, d. h. !/,-/öl = K ■ Rts mit K = 1, 2, .... (Fig. 6).