Результат интеллектуальной деятельности: Передатчик мультиполяризационных помех с повышенной энергетической эффективностью

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при разработке средств создания преднамеренных помех радиоэлектронным средствам различного функционального назначения, в частности, приемным устройствам аппаратуры потребителей (АП) глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС).

Известен многоканальный передатчик помех [см., патент RU № 2479919, С1, МПК H04В 1/04, опубл.20.04.2013 г.], содержащий модуль управления и контроля, генератор опорной частоты, N - каналов формирования помеховых сигналов, K - каналов усиления и излучения помеховых сигналов и коммутатор, обеспечивающий создание непрерывных и дискретизированных по времени прицельных и/или заградительных по частоте маскирующих радиопомех с заданными частотно-временными и энергетическими параметрами устройствам радиоэлектронных средств, радиолокации и радионавигации.

Существенным недостатком передатчика является фиксированная поляризация излучаемых помех. Так при размещении АП ГНСС на динамичных носителях, из-за различия поляризационных диаграмм направленности антенны АП ГНСС, ослабление помех одной поляризации, может иметь меньшее значение, чем ослабление помех другой поляризации.

Кроме того, поскольку уровни помехи на поляризационных составляющих осциллируют не только в зависимости от траектории перемещения носителя АП ГНСС, но и вследствие интерференционного характера распространения радиоволн, и при этом максимумы напряженности поля для электромагнитной волны (ЭМВ) горизонтальной поляризации могут не совпадать с максимумами напряженности поля для ЭМВ вертикальной поляризации, то излучение помехи с какой-либо одной поляризацией может привести к снижению эффективности радиоподавления АП ГНСС.

Поэтому наиболее целесообразным является использование для радиоподавления АП ГНСС мультиполяризационного помехового сигнала.

Известен передатчик радиопомех [см., патент RU № 2690664, С1, МПК H04K 3/00, опубл. 05.06.2019г.], содержащий модуль управления и контроля, генератор опорной частоты, N каналов формирования помех, коммутатор, K каналов усиления, фильтрации и излучения помех, при этом N выходов модуля управления и контроля подключены к входам каналов формирования помех, выходы которых через коммутатор подключены к входам каналов усиления, фильтрации и излучения помех, N+1 выход модуля управления и контроля подключен к N+1 входу коммутатора, а выход генератора опорной частоты подключен к входу модуля управления и контроля, где каналы формирования помех выполнены в виде двух линеек из последовательно соединенных модулей расчета отсчетов формируемой помехи, устройств хранения отсчетов формируемой помехи и цифроаналоговых преобразователей, при этом входы модулей расчета отсчетов формируемой помехи подключены к выходам модуля управления и контроля, а выходы цифроаналоговых преобразователей подключены к входам коммутатора, ко вторым входам устройств хранения отсчетов формируемой помехи подключен выход генератора опорной частоты; дополнительно введены квадратурные мосты; каналы усиления, фильтрации и излучения помех выполнены в виде двух линеек усиления и фильтрации, входы которых подключены к выходам коммутатора, а выходы - к входам квадратурного моста, выходы квадратурного моста подключены к двум ортогонально поляризованным передающим антеннам и обеспечивающий управление поляризацией излучаемых помеховых сигналов за счет синтеза в каналах формирования когерентных помех с заданными начальными фазами и использования для излучения каждой из формируемых помех двух каналов усиления, подключенных к ортогонально поляризованным передающим антеннам через квадратурный мост.

Существенным недостатком этого передатчика является его низкая энергетическая эффективность, связанная с тем, что в каналах формирования помех синтезируются оптимальные по структуре помехи с ограничением по спектру, накладываемым условиями обеспечения электромагнитной совместимости. Ограничение по спектру приводит к возникновению паразитной амплитудной модуляции. Поэтому помеховый сигнал представляет собой амплитудно-фазово-модулированное колебание со значительным пик-фактором (пик-фактор - отношение максимальной мгновенной мощности сигнала к его средней мощности). Последнее обстоятельство приводит к неэффективному использованию ограниченной мощности передатчика, так как усиление сигналов с большим пик-фактором предполагает увеличение динамического диапазона выходного усилителя, при этом снижается коэффициент полезного действия передатчика, уменьшается средняя мощность создаваемых поляризованных помеховых сигналов, и, как следствие, падает дальность радиоподавления.

Целью изобретения является повышение энергетической эффективности передатчика мультиполяризационных помеховых сигналов за счет синтеза в каналах формирования помеховых сигналов с минимальным пик-фактором.

Сущность изобретения заключается в том, что в каждом из каналов формирования помех используется один модуль расчета отсчетов помехи, к выходу которого дополнительно подключено устройство формирования огибающей с двумя раздельными выходами, последовательно соединенными с первыми входами устройств хранения отсчетов, ко вторым входам которых подключен выход генератора опорной частоты, а выходы которых подключены к входам цифро-аналоговых преобразователей, выходы которых являются выходами каналов формирования помех и через коммутатор подключены к двум линейкам усиления и фильтрации, которые непосредственно нагружены на два ортогонально поляризованных вибратора крестообразной турникетной передающей антенны каналов усиления, фильтрации и излучения помех.

Сущность изобретения поясняется рисунками. На фиг. 1 показана структурная схема передатчика мультиполяризационных помех с повышенной энергетической эффективностью, на фиг. 2 приведены спектры помехового сигнала: а) на выходе модуля расчета отсчетов формируемой помехи, б) излучаемого с вертикальной поляризацией, в) излучаемого с горизонтальной поляризацией, на фиг. 3 представлены: а) автокорреляционная функция помехового сигнала на выходе модуля расчета отсчетов формируемой помехи, б) корреляционная функция помехового сигнала на выходе модуля расчета отсчетов формируемой помехи и помехового сигнала с вертикальной поляризацией, в) корреляционная функция помехового сигнала на выходе модуля расчета отсчетов формируемой помехи и помехового сигнала с горизонтальной поляризацией.

Передатчик мультиполяризационных помех с повышенной энергетической эффективностью состоит из модуля управления и контроля 1, генератора опорной частоты 2, каналов формирования помех 3.1, …, 3.N, где N - число каналов формирования помех, коммутатора 8, каналов усиления, фильтрации и излучения помех 9.1, …, 9.K, где K - число каналов усиления, фильтрации и излучения помех.

Каждый канал формирования помех 3.1, …, 3.N содержит модуль расчета отсчетов формируемой помехи 4.1, …, 4.N, устройство формирования огибающей 5.1, …, 5.N, первое устройство хранения отсчетов формируемой помехи 6.1.1, …, 6.N.1, второе устройство хранения отсчетов формируемой помехи 6.1.2, …, 6.N.2, первый цифро-аналогового преобразователь 7.1.1, …, 7.N.1, второй цифро-аналогового преобразователь 7.1.2, …, 7.N.2.

Каждый канал усиления, фильтрации и излучения помех 9.1, …, 9.K содержит первую линейку усиления и фильтрации 10.1.1, …, 10.К.1, вторую линейку усиления и фильтрации 10.1.2, …, 10.К.2, первый ортогонально поляризованный вибратор крестообразной турникетной передающей антенны 11.1.1, …, 11.K.1, второй ортогонально поляризованный вибратор крестообразной турникетной передающей антенны 11.1.2, …, 11.K.2.

Выход генератора опорной частоты 2 подключен к входу модуля управления и контроля 1, к входам двух устройств хранения отсчетов формируемой помехи 6.1.1, …, 6.N.1 и 6.1.2, …, 6.N.2 каналов формирования помех 3.1, …, 3.N.

Один выход модуля управления и контроля 1 подключен к одному из входов коммутатора 8, другие выходы подключены к соответствующим входам модулей расчета отсчетов формируемой помехи 4.1, …, 4.N, выходы которых подключены к устройствам формирования огибающей 5.1, …, 5.N.

Устройство формирования огибающей 5.1, …, 5.N имеет два выхода, один из которых подключен к первому устройству хранения отсчетов формируемой помехи 6.1.1, …, 6.N.1, а другой подключен ко второму устройству хранения отсчетов формируемых помех 6.1.2, …, 6.N.2.

Выход первого устройства хранения отсчетов формируемой помехи 6.1.1, …, 6.N.1 подключен к входу первого цифро-аналогового преобразователя 7.1.1, …, 7.N.1. Выход второго устройства хранения отсчетов формируемой помехи 6.1.2, …, 6.N подключен к входу второго цифро-аналогового преобразователя 7.1.2, …, 7.N.2.

Выход первого цифро-аналогового преобразователя 7.1.1, …, 7.N.1 и выход второго цифро-аналогового преобразователя 7.1.2, …, 7.N.2 являются парными выходами соответствующего канала формирования помех 3.1, …, 3.N, которые подключены к соответствующим парным входам коммутатора 8.

Коммутатор 8 имеет K парных выходов, которые подключены к соответствующим каналам усиления, фильтрации и излучения помех 9.1, …, 9.K, причем один выход подключен к первой линейке усиления и фильтрации 10.1.1, …, 10.K.1, а второй выход подключен ко второй линейке усиления и фильтрации 10.1.2, …, 10.K.2.

Выход первой линейки усиления и фильтрации 10.1.1, …, 10.K.1 подключен ко входу первого ортогонально поляризованного вибратора крестообразной турникетной передающей антенны 11.1.1, …, 11.K.1, а выход второй линейки усиления и фильтрации 10.1.2, …, 10.K.2 подключен ко второму ортогонально поляризованному вибратору крестообразной турникетной передающей антенны 11.1.2, …, 11.K.2.

Передатчик мультиполяризационных помех с повышенной энергетической эффективностью работает следующим образом.

После включения передатчика мультиполяризационных помех с повышенной энергетической эффективностью, генератор опорной частоты 2 формирует гармоническое колебание с высокостабильными значениями амплитуды и несущей частоты, которое поступает на вход модуля управления и контроля 1, на первые устройства хранения отсчетов формируемой помехи 6.1.1, …, 6.N.1 и на вторые устройства хранения отсчетов формируемых помех 6.1.2, …, 6.N.2.

Модуль управления и контроля 1, получив от генератора опорной частоты 1 гармонические колебания с высокостабильными значениями амплитуды и несущей частоты, обеспечивающие синхронизацию работы в единой шкале времени, формирует и передает в адрес управляемых элементов передатчика мультиполяризационных помех с повышенной энергетической эффективностью кодограммы проверки работоспособности. Получив донесения о работоспособности от управляемых элементов передатчика мультиполяризационных помех с повышенной энергетической эффективностью, модуль управления и контроля 1 переводит эти элементы в режим постановки помех.

В зависимости от поставленной задачи, команды могут быть поданы на один канал формирования помех из всех 3.1, …, 3.N каналов формирования помех, на выбранные n<N каналов формирования помех из всех 3.1, …, 3.N каналов формирования помех или на все N каналов формирования помех 3.1, …, 3.N. При этом через коммутатор 8 к выбранному каналу формирования помех 3.1, …, 3.N могут быть включены или все каналы усиления, фильтрации и излучения помех 9.1, …, 9.K, или заданные сочетания каналов усиления, фильтрации и излучения помех 9.1, …, 9.K, определяемые требуемой энергетикой итогового помехового сигнала.

Канал формирования радиопомех 3.1, …, 3.N, получив команду от модуля управления и контроля 1, включает свои составные элементы в работу, которая осуществляется следующим образом.

Модуль расчета отсчетов формируемой помехи 4.1, …, 4.N, формирует оптимальную по структуре помеху в виде псевдослучайной последовательности (ПСП) импульсов с заданной символьной частотой повторения и передает ее в устройство формирования огибающей 5.1, …, 5.N.

Устройство формирования огибающей 5.1, …, 5.N, получив оптимальную по структуре помеху , предварительно формирует ее аналитический сигнал:

где - мнимое дополнение исходной помехи , полученное на основе преобразования Гильберта [см., например, Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов: учеб. пособие. - 3-е изд. - СПб.: БХВ-Петербург, 2011. - 768 с.: ил. - С47-50],

и комплексное сопряжение аналитического сигнала:

производит расчет фазы аналитического сигнала:

и комплексного сопряжения:

Видно, что функции фазы аналитического сигнала и фазы комплексного сопряжения являются функциями зеркально симметричными относительно горизонтальной оси t.

После этого устройство формирования огибающей 5.1, …, 5.N выполняет нормализацию помехи и ее комплексного сопряжения по амплитуде, задав :

,

,

что обеспечивает постоянное мгновенное значение огибающей и минимальный пик-фактор каждой компоненты.

Далее помеха и ее комплексное сопряжение переносятся на рабочую частоту и преобразуются в цифровые отсчеты вещественного сигнала с заданной частотой выборки :

,

,

где , m - номер цифрового отсчета.

Полученные отсчеты аналитической помехи передаются в первые устройства хранения отсчетов формируемой помехи 6.1.1, …, 6.N.1, а отсчеты комплексного сопряжения помехи передаются во вторые устройства хранения отсчетов формируемой помехи 6.1.2, …, 6.N.2.

В первых устройствах хранения отсчетов формируемой помехи 6.1.1, …, 6.N.1 и во вторых устройствах хранения отсчетов формируемой помехи 6.1.2, …, 6.N.2 осуществляется последовательная запись и хранение в двоичном коде всех поступивших цифровых отсчетов. В дальнейшем происходит последовательное и непрерывное считывание цифровых отсчетов из первых устройств хранения отсчетов формируемой помехи 6.1.1, …, 6.N.1 в первые цифро-аналоговые преобразователи 7.1.1, …, 7.N.1, а из вторых устройств хранения отсчетов формируемой помехи 6.1.2, …, 6.N.2 во вторые цифро-аналоговые преобразователи 7.1.2, …, 7.N.2 с частотой дискретизации, формируемой из сигнала опорной частоты и равной частоте , которая использовалась при формировании выборок отсчетов.

После завершения первого цикла считывания всех цифровых отсчетов процесс считывания повторяется необходимое число раз, тем самым достигается непрерывность формирования помехи.

На выходах первых цифро-аналоговых преобразователей 7.1.1, …, 7.N.1 и вторых цифро-аналоговых преобразователей 7.1.2, …, 7.N.2 после восстанавливающей фильтрации формируются в аналоговом виде два сигнала: помеха и ее комплексное сопряжение, изменение фазы которых являются функциями зеркально симметричными относительно горизонтальной оси t.

Таким образом, в каналах формирования помех 3.1, …, 3.N синтезируются высокочастотные колебания и с постоянной огибающей и фазами, меняющимися по зеркальному закону в соответствии с модулирующей функцией исходного помехового сигнала. При этом на первых выходах формируется аналитическая помеха , а на вторых выходах формируется ее комплексное сопряжение , которые поступают в коммутатор 8.

В коммутаторе 8 полученные сформированные аналитическая помеха и ее комплексное сопряжение по командам модуля и контроля 1, поступают с соответствующие каналы усиления, фильтрации и излучения помех 9.1, …, 9.K, при этом сформированная аналитическая помеха подается в первую линейку усиления и фильтрации 10.1.1, …, 10.К.1, а сформированное комплексное сопряжение помехи подается во вторую линейку усиления и фильтрации 10.1.2, …, 10. K.2.

Поскольку уровни сформированных аналитической помехи и ее комплексного сопряжения одинаковы и постоянны за счет нормализации по амплитуде , а пик-фактор этих сигналов минимален, усилители первой и второй линеек усиления и фильтрации 10.1.1, …, 10.K.2 работают в режиме, характеризующимся наибольшей энергетической эффективностью, чем достигается цель и технический результат изобретения.

Усиленные аналитические помехи поступают в первые ортогональные поляризованные вибраторы крестообразных турникетных передающих антенн 11.1.1, …, 11.K.1, а усиленные комплексные сопряжения помех поступают во вторые ортогональные поляризованные вибраторы крестообразных турникетных передающих антенн 11.1.2, …, 11.K.2.

Каждый из симметричных вибраторов запитывается независимо, а благодаря их ортогональному расположению достигается высокая взаимная развязка. При синфазном возбуждении вибраторов, излучаемое электромагнитное поле будет иметь вертикальную поляризацию, в случае противофазного возбуждения поляризация будет горизонтальной, а когда фаза сдвинута на плюс или минус 90 градусов, на выходе антенны будет правая или левая круговая поляризация, что позволяет исключить квадратурный мост из схемы канала усиления, фильтрации и излучения помех.

Таким образом формирование мультиполяризованных помех достигается за счет суммирования в пространстве компонент, излученных вибраторами турникетной передающей антенны.

Поскольку уровни высокочастотных сигналов на выходах первой линейки усиления и фильтрации 10.1.1, …, 10.К.1 и второй линейки усиления и фильтрации 10.1.2, …, 10.К.2 одинаковы и постоянны, поляризация суммарного электромагнитного поля, формируемого в дальней зоне антенны, будет определяться разностью мгновенных фаз излучаемых помехи и ее комплексного сопряжения.

Поскольку фаза аналитической помехи изменяется по закону ПСП исходного помехового сигнала , синтезируемого модулем расчета отсчетов формируемой помехи 4.1, …, 4.N., а фаза комплексного сопряжения помехи представляет собой функцию, зеркально симметричную относительно горизонтальной оси t по отношению к функции изменения фазы аналитической помехи, то разность фаз этих сигналов также будет изменяться по закону ПСП.

Таким образом поляризация суммарного электромагнитного поля, формируемого в дальней зоне антенны, будет постоянно изменяться по закону модулирующей функции исходного помехового сигнала , синтезируемого модулем расчета отсчетов формируемой помехи 4.1, …, 4.N, чем достигается возможность формирования мультиполяризационных помех предложенным передатчиком.

Для оценки потенциальной эффективности предлагаемого решения рассмотрим формирование в передатчике помех типового помехового сигнала приемникам АП ГНСС в виде сигналоподобной помехи с бинарной фазовой манипуляцией (BPSK) псевдослучайной последовательностью (ПСП) и обработкой в формирующем фильтре для ограничения спектра, в соответствие с требованиями обеспечения электромагнитной совместимости. После фильтрации BPSK помеха приобретает значительный пик-фактор (до 6,4 дБ в зависимости от характеристик фильтра), вследствие чего усилитель мощности, работающий в режиме однодецибельной компрессии, вносит значительные искажения в спектр передаваемого сигнала. При использовании в линейке усиления и фильтрации 10.К.1…10.К.2 усилителей с максимальной мощностью (мощностью насыщения) 30,2 Вт (44,8 дБ), безыскаженная выходная мощность передатчика не превысит 22,4 Вт (43,5 дБ) [см., например, Карась Б.Г., Шуваев В.А. Использование мультиполяризованного сигнала для повышения эффективности помехоустойчивости при передаче данных BPSK //Радиотехника. 2020. Т.84. №6(12). С116-120].

В случае формирования BPSK помехи предложенным передатчиком мультиполяризационных помех, предельно достижимый минимальный пикфактор помехи составит 0 дБ, а усилитель безыскаженно будет работать при максимальной мощности 30,2 Вт. При этом энергетический выигрыш составит 25,3%.

Как видно из графиков на фиг. 2, 3 в предложенном передатчике мультиполяризационных помех спектральные и структурные искажения излучаемого помехового сигнала в большей степени характерны для горизонтально поляризованной компоненты. Однако при этом уровень внеполосных излучений в пределах отстройки от центральной частоты, равной ширине полосы частотного канала , не превышает 40 дБ, что соответствует принятым требованиям [см., например, МСЭ-R SM.1541-5. Нежелательные излучения в области внеполосных излучений: Рекомендация МСЭ. - Женева: МСЭ, 2013. - 77 с.].

Значения коэффициентов корреляции помеховых сигналов с вертикальной и горизонтальной поляризацией, получаемых в дальней зоне, с формируемым помеховым сигналом, отличающиеся не более, чем на 8% (см. фиг. 3 б, в) от уровня автокорреляционной функции формируемой помехи (см. фиг. 3 а), характеризуют структурно-временную идентичность излучаемых и формируемой помех.

Таким образом в предложенном передатчике мультиполяризационных помех обеспечивается эффективное использование ограниченной мощности передатчика при формировании и излучении мультиполяризационной помехи, целесообразной для радиоподавления приемных устройств потребителей глобальных навигационных спутниковых систем, при сохранении структурно-временной идентичности излучаемых и формируемой помех.

Предлагаемое техническое решение практически применимо, поскольку в реализации могут быть использованы типовые радиоэлектронные узлы и устройства.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает работу передатчика без потерь мощности в усилительных трактах благодаря постоянству огибающей синтезируемого помехового сигнала, а также перераспределению энергии полностью нагруженного усилителя в ортогональную поляризационную компоненту электромагнитного поля, в моменты времени, когда усилитель оказывается недонагружен.

При этом минимизируется число устройств в каналах формирования помех и каналах усиления, фильтрации и излучения.