RU2115243C1

RU2115243C1 - Multichannel radio communication system with frequency reuse

Info

Publication number: RU2115243C1
Application number: RU96114540A
Authority: RU
Inventors: Ю.В. Заплетин; И.Г. Безгинов; О.А. Заплетина; Т.И. Елфимова
Original assignee: Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Priority date: 1996-07-22
Filing date: 1996-07-22
Publication date: 1998-07-10

Abstract

FIELD: radio communication systems, applicable in communication radio links with frequency reuse. SUBSTANCE: the system uses PS sequence generator 1, phase manipulator 2, power splitter 3, first and second amplitude modulators 4,6, anti-phase amplifier 5, transmitting antennas 7,8, receiving antennas 9,10, adder 11, subtracter 12, synchronous detector 13, low-pass filter 14, switch 15, 90-deg.phase shifter 16, limiter 17, demodulator 18. EFFECT: enhanced noise immunity and secret of information. 4 dwg

Description

Изобретение относится к системам радиосвязи и может быть использовано в радиолиниях связи с повторным использованием частоты (ПИЧ). The invention relates to radio communication systems and can be used in radio links with frequency reuse (PMP).

Известны системы радиосвязи с повторным использованием частоты (ПИЧ), в которых ПИЧ достигается за счет обеспечения ортогональности по поляризации двух передаваемых одновременно сигналов с круговой или линейной поляризацией. Known radio frequency reuse (PICH) radio communication systems in which the PICH is achieved by ensuring polarization orthogonality of two simultaneously transmitted signals with circular or linear polarization.

Однако при таком способе радиосвязи с ПИЧ требуется использование пилот-сигнала с целью обеспечения высоких требований к ортогональности по поляризации передаваемых сигналов. However, with this method of radio communication with the PMP, the use of a pilot signal is required to ensure high requirements for orthogonality in the polarization of the transmitted signals.

Применение пилот-сигнала требует выделения дополнительного частотного сигнала, что снижает помехоустойчивость такого способа радиосвязи с ПИЧ. The use of a pilot signal requires the allocation of an additional frequency signal, which reduces the noise immunity of this method of radio communication with a PICH.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является патент РФ N 2001531, принятый за прототип. The closest in technical essence to the claimed object is a patent of the Russian Federation N 2001531, adopted as a prototype.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства-прототипа, где введены обозначения: 1 - генератор ФМ-сигналов, 2 - разветвитель мощности, 3,4 - амплитудные модуляторы, 5 - противофазный усилитель, 6,7 - передающие антенны, 8,9 - приемные антенны, 10 - сумматор, 11 - вычитатель, 12 - фазовращатель на 90^o, 13 - перемножитель, 14 - демодулятор основного сообщения, 15 - фильтр нижних частот (ФНЧ).In FIG. 1 is a functional diagram of a prototype device, where the notation is introduced: 1 - FM signal generator, 2 - power splitter, 3.4 - amplitude modulators, 5 - out-of-phase amplifier, 6.7 - transmitting antennas, 8.9 - receiving antennas, 10 - adder, 11 - subtractor, 12 - phase shifter 90 ^o , 13 - multiplier, 14 - demodulator of the main message, 15 - low-pass filter (low-pass filter).

Устройство-прототип содержит на передающей стороне генератор сигналов 1, модулированных основным сообщением, выход которого соединен со входом разветвителя мощности 2, первый и второй выходы которого соответственно через первый и второй амплитудные модуляторы 3, 4 соединены с первой и второй передающими антеннами 6, 7, первый и второй выходы противофазного усилителя 5 соединены с управляющими входами амплитудных модуляторов 3, 4 соответственно, а вход является входом дополнительного сообщения устройства, на приемной стороне первую и вторую приемные антенны т8, 9, выходы которых соединены соответственно с первыми и вторыми входами сумматора 10 и вычитателя 11, выход которого через перемножитель 13 соединен со входом ФНЧ 15, выход которого является дополнительным выходом устройства, а выход сумматора 10 через фазовращатель на 90^o 12 соединен с другим входом перемножителя 13 и со входом демодулятора основного сообщения 14, выход которого является основным выходом устройства
Устройство-прототип работает следующим образом.The prototype device contains on the transmitting side a signal generator 1, modulated by the main message, the output of which is connected to the input of the power splitter 2, the first and second outputs of which are connected through the first and second amplitude modulators 3, 4 to the first and second transmitting antennas 6, 7, the first and second outputs of the out-of-phase amplifier 5 are connected to the control inputs of the amplitude modulators 3, 4, respectively, and the input is the input of an additional message of the device, on the receiving side, the first and second receive antennas T8, 9, the outputs of which are respectively connected to first and second inputs of adder 10 and subtractor 11, output of which through multiplier 13 is connected to the input of the LPF 15, the output of which is an additional output device, and the output of the adder 10 via the shifter 90 ^o 12 connected with another input of the multiplier 13 and with the input of the demodulator of the main message 14, the output of which is the main output of the device
The prototype device operates as follows.

Генератор сигналов 1, модулированный по фазе или частоте основным сообщением, формирует сигнал вида
U_с(t) = V_сcosψ(t) (1)
где V_с - амплитуда сигнала;
ψ(t) = ω(t) + φ(t)
ω - угловая частота;
φ(t) - функция изменения фазы сигнала, соответствующая фазовой или частотной модуляции основным сообщением.The signal generator 1, modulated in phase or frequency by the main message, generates a signal of the form
U _s (t) = V _s cosψ (t) (1)
where V _with - the amplitude of the signal;
ψ (t) = ω (t) + φ (t)
ω is the angular frequency;
φ (t) is the phase change function of the signal corresponding to the phase or frequency modulation of the main message.

Сигнал 1 поступает на вход разветвителя мощности 2, с выхода которого сигнал разветвляется на два канала, в которых установлены амплитудные модуляторы 3, 4, выполненные в виде управляемых высокочастотных усилителей. В них амплитуда проходящих сигналов изменяется противофазно по закону дополнительного сообщения с помощью напряжений, снимаемых с противофазного усилителя 5. При этом сигналы на выходах модуляторов 3, 4 имеют вид

где V - амплитуда;
f(t) - функция изменения амплитуды сигнала, соответствующая дополнительному сообщению.Signal 1 is fed to the input of a power splitter 2, from the output of which the signal branches into two channels in which amplitude modulators 3, 4 are installed, made in the form of controlled high-frequency amplifiers. In them, the amplitude of the transmitted signals changes out of phase according to the law of the additional message using the voltages taken from the out-of-phase amplifier 5. Moreover, the signals at the outputs of modulators 3, 4 have the form

where V is the amplitude;
f (t) is the signal amplitude change function corresponding to the additional message.

Сигналы 2 и 3 излучаются в пространство передающими антеннами 6, 7. Signals 2 and 3 are emitted into space by transmitting antennas 6, 7.

На фиг. 2 показано расположение в пространстве передающих 6, 7 и приемных 8, 9 антенн. In FIG. 2 shows the location in space of transmitting 6, 7 and receiving 8, 9 antennas.

Передающие и приемные антенны располагаются симметрично относительно оси OO¹, соединяющей середины баз антенн d_T, d_R.The transmitting and receiving antennas are located symmetrically with respect to the axis OO ¹ connecting the midpoints of the antenna bases d _T , d _R.

Мы рассматриваем случай, когда нет развязки между передающими и приемными антеннами, что имеет место при Z_T << d_T, Z_R << d_R, где Z_T и Z_R - размеры апертур передающих и приемных антенн. В этом случае диаграммы направленности антенн практически полностью перекрываются.We consider the case when there is no isolation between the transmitting and receiving antennas, which takes place at Z _T << d _T , Z _R << d _R , where Z _T and Z _R are the sizes of the apertures of the transmitting and receiving antennas. In this case, the antenna patterns almost completely overlap.

На выходах приемных антенн 8, 9 получим сигнал

где V_n - амплитуда сигнала в месте приема, обусловленная излучением одной из передающих антенн;
Δφ - разность фаз, возникающая от разности хода лучей, которая определяется как

где Δt - время, необходимое для преодоления радиоволной расстояния Δl (разности хода лучей);
C - скорость света.At the outputs of the

receiving antennas

8, 9 we get a signal

where V _n is the amplitude of the signal at the receiving location, due to the radiation of one of the transmitting antennas;
Δφ is the phase difference arising from the difference in the path of the rays, which is defined as

where Δt is the time required to overcome the radio wave distance Δl (the difference in the path of the rays);
C is the speed of light.

Так как

Из геометрических построений на фиг. 2 следует, что

Поставив (7) в (6), получим

где λ - длина волны;
D - расстояние между передающей и приемной сторонами.Because

From the geometric constructions in FIG. 2 it follows that

Putting (7) in (6), we obtain

where λ is the wavelength;
D is the distance between the transmitting and receiving sides.

На выходах сумматора 10 и вычитателя 11 будут действовать сигналы
U_Σ(t) = 2V_п{cosψ(t) + cos[ψ(t)-Δφ]} (9)
U_Δ(t) = 2V_пf(t){cosψ(t) - cos[ψ(t)-Δφ]} (10)
После преобразования получим

Из выражений (11) и (12) видно, что сигнал с выхода сумматора 10 имеет только угловую модуляцию функцией φ(t) [поскольку ψ(t) = ω(t) + φ(t) ], а сигнал с выхода вычитателя 11 имеет как угловую, так и амплитудную модуляцию функцией f(t).The outputs of the adder 10 and subtractor 11 will act signals
U _Σ (t) = 2V _n {cosψ (t) + cos [ψ (t) -Δφ]} (9)
U _Δ (t) = 2V _n f (t) {cosψ (t) - cos [ψ (t) -Δφ]} (10)
After the conversion, we get

It can be seen from expressions (11) and (12) that the signal from the output of adder 10 has only angular modulation by the function φ (t) [since ψ (t) = ω (t) + φ (t)], and the signal from the output of the subtractor 11 has both angular and amplitude modulation by the function f (t).

Необходимо отметить, что эта амплитудная модуляция есть результат пространственной модуляции сигнала, излучаемого передающими антеннами. It should be noted that this amplitude modulation is the result of spatial modulation of the signal emitted by transmitting antennas.

Радиолинию связи с дополнительной пространственной модуляцией сигнала можно рассматривать как двухканальную. Очевидно, что коэффициенты передачи сигналов в каналах угловой и пространственной модуляции являются периодическими функциями сдвига фаз Δφ , который является функцией расстояния между антеннами на передающей и приемной сторонах d_T и d_R, дальности связи Д и длины волны λ . При Δφ = π/2 + 2πn эти коэффициенты передачи равны, при этом

Амплитудно-модулированный сигнал (12) с выхода вычитателя 11 поступает на вход цепочки последовательно включенных перемножителя 13 и ФНЧ 15. Эта цепочка играет роль синхронного демодулятора (см. Андреев В.С. Теория нелинейных электрических цепей. -М.: Радио и связь, 1982 с. 100), на выходе которого выделяется дополнительное сообщение, передававшееся по каналу пространственной модуляции.A radio link with additional spatial modulation of the signal can be considered as two-channel. Obviously, the transmission coefficients of the signals in the channels of angular and spatial modulation are periodic functions of the phase shift Δφ, which is a function of the distance between the antennas on the transmitting and receiving sides d _T and d _R , the communication range D and the wavelength λ. When Δφ = π / 2 + 2πn, these transfer coefficients are equal, while

The amplitude-modulated signal (12) from the output of the subtractor 11 is fed to the input of the chain of series-connected multipliers 13 and the low-pass filter 15. This chain plays the role of a synchronous demodulator (see Andreev V.S. Theory of nonlinear electrical circuits. -M .: Radio and communication, 1982, p. 100), the output of which is allocated an additional message transmitted over the channel of spatial modulation.

Чтобы использовать выходной сигнал сумматора 10 в качестве опорного для синхронного демодулятора, его необходимо сфазировать со входным сигналом этого демодулятора, для чего служит фазовращатель на 90^oC 12.To use the output signal of the adder 10 as a reference for the synchronous demodulator, it must be phased with the input signal of this demodulator, for which the phase shifter 90 ^° C 12 serves.

Сигнал с выхода фазовращателя 12 модулирован только по углу, поэтому он поступает для демодуляции по углу на демодулятор основного сообщения 14, на выходе которого выделяется основное сообщение, передававшееся по каналу угловой модуляции. The signal from the output of the phase shifter 12 is modulated only in angle, so it is supplied for demodulation in angle to the demodulator of the main message 14, the output of which is the main message transmitted through the channel of angular modulation.

Но данное устройство-прототип имеет низкую помехоустойчивость, а также недостаточную скрытность передаваемой информации. But this prototype device has low noise immunity, as well as insufficient secrecy of the transmitted information.

Для повышения помехоустойчивости и повышения скрытности в устройство-прототип, содержащее на передающей стороне разветвитель мощности, два выхода которого соединены соответственно с первыми входами первого 4 и второго 6 амплитудных модуляторов, вторые входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами противофазного усилителя, на вход которого подается "ИНФ2", выходы первого 4 и второго 6 амплитудных модуляторов подключены соответственно с первой 7 и второй 8 передающих антенн; на приемной стороне первая и вторая приемные антенны, которые соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора и вычитателя, выход сумматора подключен ко входу фазовращателя на 90^o, фильтр нижних частот и демодулятор введены на передающей стороне генератора ПСП, выход которого соединен с входом фазового манипулятора, на второй вход которого подается "ИНФ1", а выход подключен к входу разветвителя мощности; на приемной стороне синхронный детектор, один из входов которого соединен с выходом вычитателя, а выход подключен ко входу фильтра нижних частот, ограничитель, вход которого соединен с выходом фазовращателя на 90^o, а выход соединен с входом демодулятора и первым входом ключа, второй вход которого соединен со вторым выходом демодулятора, а выход ключа соединен с вторым входом синхронного детектора.To increase noise immunity and increase stealth, a prototype device containing a power splitter on the transmitting side, two outputs of which are connected respectively to the first inputs of the first 4 and second 6 amplitude modulators, the second inputs of which are connected respectively to the first and second outputs of the antiphase amplifier, the input of which fed "INF2", the outputs of the first 4 and second 6 amplitude modulators are connected respectively from the first 7 and second 8 transmitting antennas; on the receiving side, the first and second receiving antennas, which are connected respectively to the first and second inputs of the adder and subtracter, the output of the adder is connected to the input of the phase shifter by 90 ^° , a low-pass filter and a demodulator are introduced on the transmitting side of the PSP generator, the output of which is connected to the input of the phase manipulator , to the second input of which "INF1" is fed, and the output is connected to the input of the power splitter; on the receiving side there is a synchronous detector, one of the inputs of which is connected to the output of the subtractor, and the output is connected to the input of the low-pass filter, a limiter whose input is connected to the output of the phase shifter by 90 ^o , and the output is connected to the input of the demodulator and the first input of the key, the second input of which connected to the second output of the demodulator, and the key output is connected to the second input of the synchronous detector.

На фиг. 3 приведена функциональная схема предлагаемого устройства, где обозначено: 1 - генератор ПСП, 2 - фазовый манипулятор, 3 - разветвитель мощности, 4,6 - первый и второй амплитудные модуляторы, 5 - противофазный усилитель, 7,8 - передающие антенны, 9,10 - приемные антенны, 11 - сумматор, 12 - вычитатель, 13 - синхронный детектор, 14 - фильтр нижних частот (ФНЧ), 15 - ключ, 16 - фазовращатель на 90^o, 17 - ограничитель, 18 - демодулятор.In FIG. 3 shows a functional diagram of the proposed device, where it is indicated: 1 - PSP generator, 2 - phase manipulator, 3 - power splitter, 4.6 - first and second amplitude modulators, 5 - antiphase amplifier, 7.8 - transmitting antennas, 9.10 - receiving antennas, 11 - adder, 12 - subtractor, 13 - synchronous detector, 14 - low-pass filter (LPF), 15 - key, 16 - phase shifter 90 ^o , 17 - limiter, 18 - demodulator.

Предлагаемое устройство имеет следующие функциональные связи: на передающей стороне генератора псевдослучайной последовательности 1 (ГПСП), выход которого соединен с первым входом фазового манипулятора 2, на второй вход которого подается "ИНФ1", а выход подключен к входу разветвителя мощности 3, два выхода которого соединены с первыми входами первого 4 и второго 6 амплитудных модуляторов соответственно, вторые входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами противофазного усилителя 5, на вход которого подается "ИНФ 2", выходы первого 4 и второго 6 амплитудных модуляторов подключены соответственно к первой 7 и второй 8 передающих антенн; на приемной стороне первая 9 и вторая 10 приемные антенны подключены соответственно к двум входам сумматора 11 и вычитателя 12, выход сумматора 12 через фазовращатель на 90^o 16 и ограничитель 17 подключен к первому входу ключа 15 и входу демодулятора 18, первый выход которого соединен со вторым входом ключа 15, а с второго выхода того же демодулятора снимается "ИНФ1", выход вычитателя 12 через фазовый детектор 13 подключен ко входу фильтра нижних частот 14, с выхода которого снимается "ИНФ2", а второй вход синхронного детектора 13 подключен к выходу ключа 15.The proposed device has the following functional relationships: on the transmitting side of the pseudo-random sequence generator 1 (GPSP), the output of which is connected to the first input of the phase manipulator 2, to the second input of which "INF1" is fed, and the output is connected to the input of the power splitter 3, the two outputs of which are connected with the first inputs of the first 4 and second 6 amplitude modulators, respectively, the second inputs of which are connected respectively to the first and second outputs of the out-of-phase amplifier 5, to the input of which "INF 2" is fed, the outputs 4 rows of the first and second amplitude modulators 6 are respectively connected to the first 7 and second 8 transmit antennas; on the receiving side, the first 9 and second 10 receiving antennas are connected respectively to the two inputs of the adder 11 and the subtractor 12, the output of the adder 12 through a phase shifter 90 ^o 16 and the limiter 17 is connected to the first input of the key 15 and the input of the demodulator 18, the first output of which is connected to the second the input of the key 15, and "INF1" is taken from the second output of the same demodulator, the output of the subtractor 12 is connected through the phase detector 13 to the input of the low-pass filter 14, the output of which is removed "INF2", and the second input of the synchronous detector 13 is connected to the output of the key 15 .

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Генератор псевдослучайной последовательности 1 (ГПСП) вырабатывает ПСП с заданной структурой, которая подается на вход фазового манипулятора 2, на второй вход которого поступает сигнал "ИНФ1" и на выходе фазового манипулятора, таким образом, получается фазоманипулированный сигнал. Этот сигнал поступает на вход разветвителя мощности 3, с выхода которого сигнал разветвляется на два канала, в которых установлены амплитудные модуляторы 4 и 6, выполненные в виде управляемых высокочастотных усилителей. В них амплитуда проходящих сигналов изменяется противофазно по закону дополнительного сообщения, с помощью напряжений, снимаемых с противофазного усилителя 5. The proposed device operates as follows. The pseudo-random sequence generator 1 (GPSP) generates an SRP with a given structure, which is fed to the input of the phase manipulator 2, the second input of which receives the signal "INF1" and the output of the phase manipulator, thus obtaining a phase-shifted signal. This signal is fed to the input of a power splitter 3, from the output of which the signal branches into two channels in which amplitude modulators 4 and 6 are installed, made in the form of controlled high-frequency amplifiers. In them, the amplitude of the transmitted signals changes out of phase according to the law of the additional message, using voltages removed from the out of phase amplifier 5.

Сигналы, снимаемые с амплитудных модуляторов 4 и 6, излучаются в пространство передающими антеннами 7 и 8. The signals taken from the amplitude modulators 4 and 6 are emitted into the space by transmitting antennas 7 and 8.

Принятые приемными антеннами 9,10 сигналы поступают на входы сумматора 11 и вычитателя 12. Амплитудно-модулированный сигнал с выхода вычитателя 12 поступает на вход цепочки последовательно включенных синхронного детектора 13 и ФНЧ 14. Эта цепочка играет роль синхронного демодулятора (см. Андреев В. С. Теория нелинейных электрических цепей. -М.: Радио и связь 1982, ч. 100), на выходе которого выделяется дополнительное сообщение, передававшееся по каналу пространственной модуляции. Чтобы использовать выходной сигнал сумматора 11 в качестве опорного для синхронного детектора 13, его необходимо сфазировать со входным сигналом этого детектора, для чего служит фазовращатель 16 на 90^o.The signals received by the receiving antennas 9.10 are fed to the inputs of the adder 11 and subtractor 12. The amplitude-modulated signal from the output of the subtractor 12 is fed to the input of the series-connected synchronous detector 13 and low-pass filter 14. This chain plays the role of a synchronous demodulator (see Andreev V. S Theory of nonlinear electric circuits. -M.: Radio and Communications 1982, part 100), the output of which is allocated an additional message transmitted through the spatial modulation channel. To use the output signal of the adder 11 as a reference for the synchronous detector 13, it must be phased with the input signal of this detector, for which the phase shifter 16 is 90 ^° .

Основной сигнал с фазовращателя 16 через ограничитель 17 поступает на демодулятор основного сообщения 18, схема которого приведена на фиг. 4, где обозначено: 18-1 - перемножитель, 18-2 - ФНЧ, 18-3 - фазовый детектор, 18-4 - генератор опорных сигналов (ГПСП) и 18-5 - блок синхронизации. The main signal from the phase shifter 16 through the limiter 17 is fed to the demodulator of the main message 18, the circuit of which is shown in FIG. 4, where it is indicated: 18-1 - multiplier, 18-2 - low-pass filter, 18-3 - phase detector, 18-4 - reference signal generator (GPS) and 18-5 - synchronization block.

Снятый ФМ-сигнал с ограничителя 17 поступает на первый вход перемножителя 18-1, на второй вход которого подается опорный сигнал в виде ПСП с генератора 18-4. Задача блока синхронизации 18-5 - сфазировать сигнал ПСП генератора 18-4 (опорный сигнал) с принятым сигналом в перемножителе 18-1. Далее уже узкополосный сигнал (со снятой ПСП) через узкополосный фильтр поступает на фазовый детектор, который и выделяет основную информацию. The removed FM signal from the limiter 17 is fed to the first input of the multiplier 18-1, the second input of which is supplied with a reference signal in the form of SRP from the generator 18-4. The task of the synchronization block 18-5 is to phase the signal of the generator bandwidth 18-4 (reference signal) with the received signal in the multiplier 18-1. Further, a narrow-band signal (with removed PSP) is fed through a narrow-band filter to a phase detector, which selects the main information.

Таким образом, применение ШПС в предлагаемом устройстве позволило: во-первых, повысить помехозащищенность при действии мощных помех; во-вторых, обеспечить кодовую адресацию большого числа абонентов и их кодовое разделение при работе в общей полосе частот и, в-третьих, обеспечить совместимость приема информации с высокой достоверностью и измерение параметров движения объекта с высокими точностями и разрешающими способностями. Thus, the use of SHPS in the proposed device allowed: firstly, to increase the noise immunity under the action of powerful interference; secondly, to provide code addressing of a large number of subscribers and their code separation when working in the common frequency band and, thirdly, to ensure the compatibility of information reception with high reliability and measurement of object motion parameters with high accuracy and resolution.

Claims

A multi-channel frequency reuse radio communication system comprising a power splitter on the transmitting side, the two outputs of which are connected respectively to the first inputs of the first and second amplitude modulators, the second inputs of which are connected respectively to the first and second inputs of the antiphase amplifier, the input of which is connected to a source of additional information " INF2 ", the outputs of the first and second amplitude modulators are connected respectively to the first and second transmitting antennas, on the receiving side p the first and second receiving antennas, to which respectively the first and second inputs of the adder and subtractor are connected, a low-pass filter, a 90 ^o phase shifter and a main message demodulator, characterized in that a PSP generator is introduced on the transmitting side, the output of which is connected to the input of the phase manipulator, the second input which is connected to the source "INF1", and the output is connected to the input of the power splitter, a synchronous detector is introduced at the receiving side, the first input of which is connected to the output of the adder, and the output is connected to the low-pass filter, the limiter, the input to which is connected to the output of the phase shifter by 90 ^° , and the output is connected to the input of the main message demodulator, an electronic key whose first input is connected to the output of the limiter, the second input is connected to the second output of the main message demodulator, and the output is connected to the second input of the synchronous detector.