РЕГИОНАЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА СВЯЗИ

Предлагаемая система относится к системам радиосвязи и может быть использована для передачи сигналов управления и сигнализации с пункта контроля и управления большой группе территориально-распределенных объектов, а также для сбора информации с указанных объектов для централизованного управления технологическими процессами территориально-распределенных объектов (стационарных и подвижных, например, снабжающих водоресурсами мегаполис).

Известны информационные системы связи (авт.свид. СССР №830.304, 911.464, 930.254, 1.075.426, 1.233.105, 1.276.594, 1.522.417, 1.780.080; патент РФ №2.049.372, 2.094.853, 2.113.012, 2.122.239, 2.172.524; патент США №5.574.648; патент Франции №2.438.877 и другие).

Из известных систем наиболее близкой к предлагаемой является «Система связи» (патент №2.049.372, Н 04 В 7/00, 1992), которая и выбрана в качестве базовой системы связи.

Данная система связи содержит на передающей стороне модулятор с двойным видом модуляции, состоящий из амплитудного модулятора, генератора поднесущей, частотного модулятора, генератора несущей частоты, передатчика, а на приемной стороне приемник, амплитудный детектор, узел автоматической регулировки усиления, демодулятор несущей, состоящий из частотного детектора, блока обработки сигнала, обнаружитель сигнала.

Однако данная система реализует только симплексную радиосвязь и не обеспечивает возможности для централизованного контроля и управления технологическими процессами территориально-распределенных объектов (например, снабжающих водоресурсами мегаполис), в отличие от действующих децентрализованных систем.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей системы путем централизованного контроля и управления технологическими процессами территориально-распределенных объектов с помощью дуплексной радиосвязи на двух частотах с использованием сложных сигналов с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией (АМ-ФМн) на одной несущей частоте.

Поставленная задача решается тем, что региональная информационная система, содержащая на пункте контроля и управления последовательно соединенные модулятор с двойным видом модуляции и передатчик, а на территориально-распределенном объекте приемник, при этом модулятор с двойным видом модуляции содержит генератор несущей частоты и амплитудный модулятор, снабжена на пункте контроля и управления источниками аналоговых и дискретных сообщений, дуплексером, приемнопередающей антенной, приемником и блоком регистрации и анализа, причем к двум входам модулятора с двойным видом модуляции подключены источники аналоговых и дискретных сообщений соответственно, к выходу передатчика последовательно подключены дуплексер, вход-выход которого связан с приемнопередающей антенной, приемник и блок регистрации и анализа, второй вход которого соединен с вторым выходом приемника, а на территориально-распределенном объекте последовательно включенными источником аналоговых сообщений, модулятором с двойным видом модуляции, второй вход которого соединен с выходом источника дискретных сообщений, передатчиком и дуплексером, вход-выход которого связан с приемнопередающей антенной, а выход соединен с приемником, к выходу которого подключен исполнительный блок, второй вход которого соединен с вторым выходом приемника.

Поставленная задача решается тем, что каждый модулятор с двойным видом модуляции состоит из последовательно подключенных к выходу источника аналоговых сообщений амплитудного модулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора несущей частоты, и фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом источника дискретных сообщений, а выход является выходом модулятора с двойным видом модуляции.

Поставленная задача решается тем, что каждый передатчик состоит из последовательно подключенных к выходу фазового манипулятора первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты и первого усилителя мощности, выход которого является выходом передатчика.

Поставленная задача решается тем, что каждый приемник состоит из последовательно подключенных к выходу дуплексера второго усилителя мощности, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, усилителя второй промежуточной частоты, амплитудного ограничителя и синхронного детектора, второй вход которого соединен с выходом усилителя второй промежуточной частоты, а выход является первым выходом приемника, причем к выходу амплитудного ограничителя последовательно подключены перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, полосовой фильтр и фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, а выход является вторым выходом приемника.

Структурная схема региональной информационной системы связи представлена на фиг.1. Частотная диаграмма, иллюстрирующая процесс преобразования сигналов, показана на фиг.2. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы системы, изображены на фиг.3 и 4. Система связи содержит пункт контроля и управления и территориально-распределенные объекты, соединенные между собой дуплексной радиосвязью.

Пункт контроля и управления (территориально-распределенный объект) содержит последовательно включенные источник 1.1 (1.2) аналоговых сообщений, амплитудный модулятор 4.1 (4.2), второй вход которого соединен с выходом генератора 3.1 (3.2) несущей частоты, фазовый манипулятор 5.1 (5.2), второй вход которого соединен с выходом источника 6.1 (6.2) дискретных сообщений, первый смеситель 9.1 (9.2), второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 8.1 (8.2), усилитель 10.1 (10.2) первой промежуточной частоты, первый усилитель 11.1 (11.2) мощности, дуплексер 12.1 (12.2), вход-выход которого связан с приемнопередающей антенной 13.1 (13.2), второй усилитель 15.1 (15.2) мощности, второй смеситель 17.1 (17.2), второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 16.1 (16.2), усилитель 18.1 (18.2) второй промежуточной частоты, амплитудный ограничитель 19.1 (19.2), синхронный детектор 20.1 (20.2), второй вход которого соединен с выходом усилителя 18.1 (18.2) второй промежуточной частоты и блок 24.1 (24.2) регистрации и анализа (исполнительный блок).

Последовательно включенные генератор 3.1.(3.2) несущей частоты, амплитудный модулятор 4.1 (4.2) и фазовый манипулятор 5.1 (5.2) образуют модулятор 2.1 (2.2) с двойным видом модуляции.

Последовательно включенные первый гетеродин 8.1 (8.2), первый смеситель 9.1 (9.2), усилитель 10.1 (10.2) первой промежуточной частоты и первый усилитель 11.1 (11.2) мощности образуют передатчик.

Последовательно включенные второй усилитель 15.1 (15.2) мощности, второй смеситель 17.1 (17.2), второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 16.1 (16.2), усилитель 18.1 (18.2) второй промежуточной частоты, амплитудный ограничитель 19.1 (19.2) и синхронный детектор 20.1.(20.2), второй вход которого соединен с выходом усилителя 18.1 (18.2) второй промежуточной частоты, а выход является первым выходом приемника 14.1 (14.2), последовательно подключенные к выходу амплитудного ограничителя 19.1 (19.2) перемножитель 21.1 (21.2), второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 8.1 (8.2), полосовой фильтр 22.1 (22.2) и фазовый детектор 23.1 (23.2), второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 16.1 (16.2), а выход является вторым выходом приемника 14.1 (14.2), образуют приемник 14.1 (14.2).

Между пунктом контроля и управления и каждым территориально-распределенным объектом устанавливается дуплексная радиосвязь с использованием сложных сигналов с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией (АМ-ФМн) на одной несущей частоте. При этом на пункте контроля и управления эти сигналы излучаются на частоте

W₁=Wпр₁=Wг₂,

где Wпр₁ - первая промежуточная частота;

Wг₂ - частота гетеродина 16.1 (8.2);

а принимаются на частоте

W₂=Wг₁,

где Wг₁ - частота гетеродина 8.1 (16.2).

На территориально-распределенном объекте наоборот сложные АМ-ФМн-сигналы излучаются на частоте W₂, а принимаются на частоте W₁.

Частоты Wг₁ и Wг₂ гетеродинов 8.1 (16.2) и 16.1 (8.2) разнесены на вторую промежуточную частоту (фиг.2)

Wг₂-Wг₁=Wпр₂.

Региональная информационная система связи работает следующим образом.

При передаче сообщений и команд с пункта контроля и управления включается генератор 3.1 несущей частоты, который формирует высокочастотное колебание (фиг.3, а)

Uc₁(t)=Vc₁·Cos·(Wct+ϕ_c), 0≤t≤Tc₁,

где Vc₁, Wс, ϕc, Tc₁ - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания, которое поступает на первый вход амплитудного модулятора 4.1. На второй вход амплитудного модулятора 4.1 с выхода источника 1.1 аналоговых сообщений подается модулирующая функция m₁(t) (фиг.3, б), содержащая аналоговую информацию. На выходе амплитудного модулятора 4.1 образуется амплитудно-модулированный (AM) сигнал (фиг.3, в)

U₁(t)=Vc₁·[1+m₁(t)]·Cos(Wс·t+ϕc), 0≤t≤Tc₁,

который поступает на первый вход фазового манипулятора 5.1, на второй вход которого подается модулирующий код M₁(t) (фиг.3, г) с выхода источника 6.1 дискретных сообщений. На выходе фазового манипулятора 5.1 формируется сложный сигнал с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией (АМ-ФМн) (фиг.3, д)

U₂(t)=Vc₁·[1+m₁(t)]·Cos(Wc·t+ϕк₁(t)+ϕc), 0≤t≤Tc₁,

где ϕк₁(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M₁(t), причем ϕк₁(t)=const при кτэ<t<(к+1)τэ и может изменяться скачком при t=кτэ, т.е. на границах между элементарными посылками (к=0, 1, 2,..., N₁-1);

τэ, N₁ - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Tc₁ (Tc₁=Nc τ_э),

который поступает на первый вход первого смесителя 9.1, на второй вход которого подается напряжение первого гетеродина 8.1

Uг₁(t)=Vг₁·Cos·(Wг₁t+ϕг₁).

На выходе смесителя 9.1 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 10.1 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты

Uпр₁(t)=Vпр₁·[1+m₁(t)]·Cos[Wпр₁·t+ϕк₁(t)+ϕпр₁], 0≤t≤Tc₁,

где Vпр₁=½K₁·Vc₁·Vг₁;

K₁ - коэффициент передачи смесителя;

Wпр₁=W_c+Wг₁ - первая промежуточная частота;

ϕпр₁=ϕс+ϕг₁.

Это напряжение после усиления в усилителе 11.1 мощности через дуплексер 12.1 излучается приемнопередающей антенной 13.1 в эфир на частоте W₁=Wпр₁=Wг₂, улавливается приемнопередающей антенной 13.2 и через дуплексер 12.2 и усилитель 15.2 мощности поступает на первый вход смесителя 17.2. На второй вход смесителя 17.2 подается напряжение Uг₁(t) гетеродина 16.2 территориально-распределенного объекта. На выходе смесителя 17.2 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 18.2 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты (фиг.3, е)

Uпр₂(t)=Vпр₂·[1+m₁(t)]·Cos[Wпр₂·t+ϕк₁(t)+ϕпр₂], 0≤t≤Tc₁,

где V_пр2=1/2K₁·Vпр₁·Vг₁,

Wпр₂=Wпр₁-Wг₁ - вторая промежуточная частота;

ϕпр₂=ϕпр₁-ϕг₁,

которое поступает на вход амплитудного ограничителя 19.2 и на информационный вход синхронного детектора 20.2. На выходе амплитудного ограничителя 19.2 образуется напряжение (фиг.3, ж)

U₃(t)=V₀·Cos[Wпр₂·t+ϕк₁(t)+ϕпр₂], 0≤t≤Tc₁,

где V₀ - порог ограничения,

которое поступает на опорный вход синхронного детектора 20.2 и на первый вход перемножителя 21.2.

На выходе синхронного детектора 20.2 образуется низкочастотное напряжение (фиг.3, з)

Uн₁(t)=Vн₁·[1+m₁(t)], 0≤t≤Tc₁,

где Vн₁=½К₂·Vпр₂·V₀,

К₂ - коэффициент передачи синхронного детектора,

пропорциональное модулирующей функции m₁(t) (фиг.3, б).

Это напряжение поступает на первый вход исполнительного блока 24.2.

На второй вход перемножителя 21.2 подается напряжение гетеродина 8.2

Uг₂(t)=Vг₂·Cos·(Wг₂t+ϕг₂),

на выходе которого образуется напряжение (фиг.3, и)

U₄(t)=V₄·Cos[Wг₁·t+ϕк₁(t)+ϕг₁], 0≤t≤Tc₁,

где V₄=½K₃·V₀·Vг₂;

К₃ - коэффициент передачи перемножителя,

которое представляет собой ФМн-сигнал на частоте Wг₁ гетеродина 16.2. Это напряжение выделяется полосовым фильтром 22.2 и поступает на информационный вход фазового детектора 23.2, на опорный вход которого подается напряжение Wг₁ гетеродина 16.2.

На выходе фазового детектора 23.2 образуется низкочастотное напряжение (фиг.3, к)

Uн₂(t)=Vн₂·Cosϕк₁(t), 0≤t≤Tc₁,

Где Vн₂=½K₄·V₄·Vг₁;

K₄ - коэффициент передачи фазового детектора,

пропорциональное модулирующему коду M₁(t) (фиг.3, г). Это напряжение поступает на второй вход исполнительного блока 24.2.

При передаче сообщений с территориально-распределенного объекта с помощью генератора 1.2 несущей частоты формируется высокочастотное колебание (фиг.4, а).

Uc₂(t)=Vc₂·Cos·(Wct+ϕc), 0≤t≤Tc₂,

которое поступает на первый вход амплитудного модулятора 4.2. На второй вход амплитудного модулятора 4.2 с выхода источника 1.2 аналоговых сообщений подается модулирующая функция m₂(t) (фиг.4, б), содержащая аналоговую информацию. На выходе амплитудного модулятора 4.2 образуется сигнал с амплитудной модуляцией (AM) (фиг.4, в)

U₅(t)=Vc₂·[1+m₂(t)]·Cos(Wc·t+ϕc), 0≤t≤Tc₂,

который поступает на первый вход фазового манипулятора 5.2, на второй вход которого подается модулирующий код M₂(t) (фиг.4, г) с выхода источника 6.2 дискретных сообщений. На выходе фазового манипулятора 5.2 формируется сложный сигнал с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией (АМ-ФМн) (фиг.4, д)

V₆(t)=Vc₂·[1+m₂(t)]·Cos[Wc·t+ϕк₂(t)+ϕ_c], 0≤t≤Tc₂,

который поступает на первый вход первого смесителя 9.2, на второй вход которого подается напряжение первого гетеродина 8.2

Uг₂(t)=Vг₂·Cos·(Wг₂t+ϕг₂).

На выходе смесителя 9.2 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 10.2 выделяется следующее напряжение

U₇(t)=V₇·[1+m₂(t)]·Cos[W₂·t-ϕк₂(t)+ϕ₂], 0≤t≤Tc₂,

где V₇=½К₁·Vc₂·Vг₂,

W₂=Wг₂-W_c;

ϕ₂=ϕг₂-ϕ_c.

Это напряжение после усиления в усилителе 11.2 мощности через дуплексер 12.2 излучается приемнопередающей антенной 13.2 в эфир на частоте W₂=Wr, улавливается приемнопередающей антенной 13.1 и через дуплексер 12.1 и усилитель 15.1 мощности поступает на первый вход смесителя 17.1. На второй вход смесителя 17.1 подается напряжение Uг₂(t) гетеродина 16.1 пункта контроля и управления. На выходе смесителя 17.1 образуется напряжение комбинационных частот- Усилителем 18.1 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты (фиг.4, е)

Uпр₃(t)=Vпр₃·[1+m₂(t)]·Cos[Wпр₂·t+ϕк₂(t)+ϕпр₂], 0≤t≤Tc₂,

где V_пр3=½K₁·V₇·Vг₂;

Wпр₂=Wг₂-W₂ - вторая промежуточная частота;

ϕпр₂=ϕ_г2-ϕ₂,

которое поступает на вход амплитудного ограничителя 19.1 и на информационный вход синхронного детектора 20.1. На выходе амплитудного ограничителя 19.1 образуется напряжение (фиг.4, ж)

U₈(t)=V₀·Cos[Wпр₂·t+ϕк₂(t)+ϕпр₂], 0≤t≤Tc₂,

которое поступает на опорный вход синхронного детектора 20.1 и на первый вход перемножителя 21.1.

На выходе синхронного детектора 20.1 образуется низкочастотное напряжение (фиг.4, з)

Uн₃(t)=Vн₃·[1+m₂(t)], 0≤t≤Тс₂,

где Vн₃=½К₂·Vпр₃·V₀,

пропорциональное модулирующей функции m₂(t) (фиг.4, б).

Это напряжение поступает на первый вход блока 24.1 регистрации и анализа.

На второй вход перемножителя 21.1 подается напряжение U_г1(t) гетеродина 8.1, на выходе которого образуется напряжение (фиг.4, и)

U₉(t)=V₉·Cos[Wг₂·t+ϕк₂(t)+ϕг₂], 0≤t≤Tc₂,

где V₉=½К₃·Vг₁·V₀,

которое представляет собой ФМн-сигнал на частоте Wг₂ гетеродина 16.1. Это напряжение выделяется полосовым фильтром 22.1 и поступает на информационный вход фазового детектора 23.1, на опорный вход которого подается напряжение Wг₂ гетеродина 16.1. На выходе фазового детектора 23.1 образуется низкочастотное напряжение (фиг.4, к)

Uн₄(t)=Vн₄·Cosϕк₂(t), 0≤t≤Тс₂,

где Vн₄=½K·Vг₂·V₉,

пропорциональное модулирующему коду M₂(t) (фиг.4, г). Это напряжение поступает на второй вход блока 24.1 регистрации и анализа.

Таким образом, предлагаемая региональная информационная система связи по сравнению с базовой системой связи и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает надежный обмен налоговой и дискретной информацией между пунктом контроля и управления и территориально-распределенными объектами. Это достигается установлением между указанными объектами дуплексной радиосвязи на двух частотах W₁ и W₂ с использованием сложных сигналов с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией (АМ-ФМн) на одной несущей частоте Wc.

С точки зрения обнаружения, данные сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.

Энергетическая скрытность сложных АМ-ФМн-сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный АМ-ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.

Структурная скрытность сложных АМ-ФМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных АМ-ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.

Сложные АМ-ФМн-сигналы открывают новые возможности в технике передачи сообщений. Указанные сигналы позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность разделять сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени. Принципиально можно отказаться от традиционного метода разделения рабочих частот используемого диапазона между работающими радиостанциями и селекцией их на приемной стороне с помощью частотных фильтров. Его можно заменить новым методом, основанным на одновременной работе каждой радиостанции во всем диапазоне частот сигналами со сложной структурой с выделением радиоприемным устройством сигнала необходимой радиостанции посредством его структурной селекции.

Интересной особенностью региональной информационной системы связи, использующей сложные АМ-ФМн-сигналы, являются ее адаптивные свойства: с уменьшением числа работающих радиостанций, устанавливаемых на территориально-разнесенных объектах, помехоустойчивость оставшихся автоматически возрастает. Благодаря частотной избыточности широкополосной системы связи, она может успешно работать при наличии в полосе частот принимаемого сложного АМ-ФМн-сигнала нескольких узкополосных радиостанций. В этом случае пораженные узкополосными помехами участки спектра вырезаются оператором или автоматом.

Территориальные и экспериментальные исследования показали, что исключение более половины полосы частот, занимаемой сложными АМ-ФМн-сигналами, не нарушает нормальной работы такой системы. Естественно, что при этом имеет место снижение помехоустойчивости, пропорциональное ширине полосы вырезаемого участка спектра.

Следовательно, использование сигналов со сложной структурой позволяет осуществлять уверенный обмен информацией между пунктом контроля и управления и территориально-распределенными объектами при наличии весьма мощных мешающих узкополосных сигналов в полосе пропускания приемников. Таким путем может быть решена задача, с которой метод частотной селекции принципиально не может справиться.

Следует также отметить, что на пункте контроля и управления сложные АМ-ФМн-сигналы излучаются на частоте

W₁=Wпр₁=Wг₂,

а принимаются на частоте

W₂=Wг₁.

На территориально-распределенном объекте, наоборот, сложные АМ-ФМн-сигналы излучаются на частоте W₂, а принимаются на частоте W₁. Частоты Wг₁ и Wг₂ гетеродинов разнесены на вторую промежуточную частоту

Wг₂-Wг₁=Wпр₂.

Тем самым функциональные возможности системы связи расширены.