Минимизация характеристических искажений при приёме телеграфных сигналов

Для идентификации источников радиоизлучений сигналов частотной телеграфии наряду с другими параметрами используются временные параметры этих сигналов, которыми в частности, могут быть значения краевых искажений телеграфных посылок от преобладаний. На точность измерений этих параметров влияют атмосферные помехи и внутренние шумы измерителей преобладаний, а также характеристические искажения длительностей посылок в трактах приёма телеграфных сигналов, предшествующих измерителям преобладаний. В статье рассмотрены причины возникновения таких искажений и на основе проведенного анализа предложено устройство для их минимизации.

УДК 621.376.33

Автор: Н.К. Тёмкин, независимый исследователь, к.т.н.; naum.temkin@googlemail.com

Для идентификации источников радиоизлучений (ИРИ) сигналов частотной телеграфии наряду с другими параметрами используются временные параметры этих сигналов [1,2], которыми, в частности, могут быть значения краевых искажений телеграфных посылок от преобладаний. На точность измерения этих параметров влияют атмосферные помехи [3], а также характеристические искажения длительностей посылок [4] в трактах приёма телеграфных сигналов, предшествующих измерителям преобладаний.

В типовых трактах для формирования телеграфных посылок используется последовательно соединённые детектор, фильтр нижних частот (ФНЧ) и пороговый блок [5]. Полоса пропускания ФНЧ в подобных устройствах выбирается с точки зрения обеспечения необходимой помехоустойчивости приёма информации и обычно определяется величиной 1/Т, где Т – длительность элементарной посылки. При прохождении телеграфных посылок в фильтре возникают переходные процессы, и в тех случаях, когда переходный процесс не успевает установиться за время элементарной посылки, короткая посылка может укорачиваться, а длинная – удлиняться.

А так как измеритель преобладаний подключается к выходу порогового блока, результат измерения преобладаний будет содержать дополнительную погрешность из-за таких характеристических искажений, что приводит к снижению достоверности идентификации источников радиоизлучений сигналов частотной телеграфии, если их идентифицировать по величине преобладаний.

Известное устройство для демодуляции телеграфных сигналов, в котором осуществляется компенсация характеристических искажений [6], содержит детектор, фильтр нижних частот (ФНЧ), пороговый блок, формирователи импульсов, инвертор, блоки постоянной и переменной задержки, RS-триггер, блок измерения длительностей посылок и вычислительный блок. Устройство функционирует следующим образом.

После детектирования сигнал через ФНЧ поступает на пороговый блок, формирующий прямоугольные посылки. Так как полоса пропускания ФНЧ выбирается минимально-возможной для обеспечения максимальной помехоустойчивости приёма информации, то ФНЧ обладает большой постоянной времени. Поэтому посылки, поступающие на вход порогового блока, будут иметь фронты, нарастающие (спадающие) по пологой экспоненциальной кривой и фронты сформированных посылок будут сдвинуты относительно характеристических моментов манипуляции (ХММ) переданной посылки на время τф, в общем случае различное для переднего и заднего фронтов. Для компенсации этих различий параллельно с формированием пороговым блоком посылок осуществляется измерение их длительностей блоком измерения длительностей посылок. Затем по формулам, приведенным в описании устройства, вычислительным блоком производится расчёт величин задержек переднего и заднего фронтов   τпф  и  τзф, которые теоретически должны были быть при  τпi и τпi-1,  где τпi и τпi-1  — длительность посылки и предшествующей ей паузы по данным блока измерения длительности посылки, а также при заранее введенных значениях τ, τфmax,  Uсраб/Um и Uотп/Um , где τ – постоянная времени ФНЧ, τфmax – максимально-возможная задержка фронта посылки в ФНЧ,  Uсраб/Um  и Uотп/Um – отношение амплитуд срабатывания и отпускания к амплитуде посылки в пороговом блоке.

Вычислительный блок рассчитывает τ(1) = τфmax + τпф  и τ(2)= τфmax — τзф и вводит эти значения  в блоки переменной задержки. Затем импульсами с выхода блоков переменной задержки RS-триггер устанавливается в «»1» и затем в «0». Интервал времени между этими импульсами и соответственно длительность импульса на выходе RS-триггера будут в этом случае равны длительности переданной посылки без характеристических искажений.

Погрешность компенсации искажений этим устройством зависит от того, насколько исходные данные, по которым производится расчёт, совпадают с фактическими. Такие данные, как τпi и τпi-1, τ и τфmax, Uсраб и Uотп могут совпадать достаточно точно. Однако при приёме частотно-манипулированных (ЧМ) телеграфных сигналов величина Um может значительно отличаться от введенного значения. При приёме ЧМ сигналов амплитуда сигналов на выходе детектора и соответственно на выходе ФНЧ зависит от разноса частот телеграфирования, которой имеет сигнал на передающей стороне. Поэтому при приёме сигналов от неизвестных радиопередатчиков, например, при радиомониторинге и частично при радиоконтроле, величина Um априорно неизвестна и, следовательно, введённое значение может только случайно совпадать с фактическим. А если имеется расхождение, то значения фактических и теоретических задержек фронтов совпадать не будут и длительности посылок, формируемых устройством на выходе RS-триггера, не будет совпадать с длительностью переданных посылок. Следовательно, при приёме ЧМ сигналов с использованием этого устройства величина характеристических искажений формируемых посылок зависит от разноса частот телеграфирования, что сужает область применения устройства.

Описываемое далее устройство минимизирует зависимость характеристических искажений формируемых посылок от величины разноса частот сигналов с частотной манипуляцией при одновременной минимизации величины характеристических искажений при любом чередовании длительностей посылок передаваемого сообщения.

На рис.1 приведена блок-схема данного устройства, на рис.2 – диаграммы работы данного устройства и типового тракта детектор – ФНЧ – пороговый блок [5]. В таком типовом тракте и в других подобных структурах характеристические искажения появляются вследствие того, что из-за большой постоянной времени фильтра нижних частот, необходимой для обеспечения требуемой помехоустойчивости приёма, за время короткой посылки напряжение на входе порогового блока (см.диграмму b, интервал t1 – t3), не успевает достигнуть максимального значения и поэтому время задержки формирования заднего фронта посылки оказывается меньшим, чем время задержки формирования переднего фронта, и посылка укорачивается. А если перед длинной посылкой имеется короткая пауза (см.диграмму b, интервал (t3 – t6), то посылка удлиняется, т.к. за счёт остатка от предыдущего переходного процесса напряжение, нарастающее на входе порогового блока, достигает уровня сравнения Uср за более короткое время, чем напряжение, спадающее после окончания посылки. Различие длительностей входных и выходных посылок в типовом тракте хорошо видно при сравнении диаграмм a) и c).

Н.Темкин Статья № 4 на сайт (1.1)В устройстве, блок-схема которого приведена на рис.1, причины, порождающие характеристические искажения, исключены и их компенсации не требуется.

Устройство содержит частотный детектор 1, разделитель посылок 2, аналоговый инвертор 3, двунаправленные аналоговые мультиплексоры 4 и 9, фильтры нижних частот 5 и 10, компараторы напряжения 6 и 11, формирователи импульсов 7 и 12, RS- триггер 8. Устройство подключается к выходу промежуточной частоты ПЧ радиоприёмного устройства, настроенного на приём сигналов частотной телеграфии.

Устройство функционирует следующим образом. На диаграмме a), рис.2, представлена идеализированная форма сигнала на выходе частотного детектора 1-  отсутствуют искажения сигнала из-за атмосферных помех и внутренних шумов аппаратуры, отсутствуют остатки сигнала ПЧ радиоприёмного устройства. Однако для рассмотрения обсуждаемой проблемы такая идеализация необходима. После детектирования детектором 1 поступающий частотно – манипулированный сигнал поступает на разделитель посылок 2, где производится разделение двуполярных посылок на однополярные положительные и отрицательные посылки.

Положительные посылки с выхода 1 разделителя 2 поступают на мультиплексор 4, отрицательные посылки с выхода 2 разделителя 2 поступают на вход инвертора 3. Если RS-триггер находится в «0», мультиплексор 4 через свой первый канал подключает вход фильтра 5 к первому выходу разделителя посылок 2. Поэтому, когда на этом выходе появляется положительный импульс, он проходит через фильтр 5 и, когда выходной сигнал фильтра достигнет уровня сравнения Uср (см. диаграмму d, интервал t1 – t2), компаратор срабатывает, срабатывает формирователь импульсов 7 и RS- триггер переключается в «1».  Начинается формирование выходной посылки (см. диаграмму f ). Низким уровнем с нулевого выхода RS-триггера мультиплексор 4 подключает через свой второй канал вход фильтра 5 к общей шине, энергия фильтра начинает убывать и напряжение на его выходе спадает (см. диаграмму d). Так как RS-триггер находится в состоянии «1», высоким уровнем с выхода «1» мультиплексор 9 через свой первый канал подключает вход фильтра нижних частот 10 к выходу аналогового инвертора 3.

Н.Темкин Статья № 4 на сайт (2.2)Поэтому, когда появляется входной отрицательный импульс (см. диаграмму a, момент времени t3), он инвертируется инвертором 3 и посылка в положительной полярности с его выхода проходит через мультиплексор 9 на вход фильтра нижних частот 10. Выходной сигнал фильтра поступает на компаратор напряжения 11 и после достижения уровня сравнения (см.диграмму e, интервал t3 — t5) компаратор срабатывает, срабатывает формирователь импульсов 12, RS- триггер перебрасывается в «0» и вновь подключает через первый канал мультиплексора 4 вход фильтра 5 к выходу 1 разделителя посылок, а через второй канал мультиплексора 9 подключает вход фильтра 10 к общей шине. Энергия фильтра начинает убывать и напряжение на его выходе спадает (см. диаграмму e). Формирование посылки закончено (см. диаграмму f, интервал t2-t5), устройство подготовлено к формированию следующей посылки.

Из рассмотрения диаграмм видно, что независимо от длительности посылки выходное напряжение фильтра нарастает только до уровня сравнения компараторов напряжения и сразу же после их срабатывания начинает быстро спадать до нуля. Следовательно, теоретически условия для образования характеристических искажений в таком устройстве отсутствуют.

Однако в реальном устройстве незначительные характеристические искажения всё же могут присутствовать. И для того, чтобы при использовании реального устройства эти искажения были бы минимизированы до допустимого уровня, необходимо, чтобы амплитуды отрицательных и положительных посылок, поступающих на вход разделителя посылок, были бы равны между собой.

Для этого:  

— радиоприёмное устройство должно быть настроено на центр радиоканала, по которому производится передача радиотелеграфного сообщения, чтобы численные значения девиаций частот верхней и нижней составляющих были равны между собой;

— детекторная характеристика частотного детектора должна быть максимально симметричной относительно центральной частоты  детектора f0. При этом постоянная времени цепей нагрузки частотного детектора должна быть значительно меньше длительности элементарной посылки принимаемого сообщения, что обеспечит минимум характеристических искажений в самом частотном детекторе.

Кроме того, мультиплексоры, фильтры и компараторы напряжений обоих каналов устройства, а также оба канала разделителя посылок должны быть максимально идентичны, чтобы задержки формирования переднего и заднего фронта посылок были бы равны между собой при одинаковых величинах амплитуд сигнала в каждом канале, а инвертор 3 должен обладать коэффициентом усиления, равным единице. Всё это возможно достигнуть, применяя прецизионные компоненты.

Если эти условия соблюдены, то влияние характеристических искажений на результаты измерений преобладаний будут минимальны и при применении данного устройства в системах радиоконтроля или радиомониторинга в качестве входного устройства измерителей краевых искажений телеграфных посылок величина измеренных преобладаний может быть использована в качестве идентификационного признака источника радиотелеграфного сообщения.

ЛИТЕРАТУРА

1.Киселёв Д.Н., Перфилов О.Ю. Радиомониторинг и распознавание радиоизлучений. Москва Горячая линия – Телеком 2015.
2. Вартапесян В.А. Радиолектронная разведка. М. Воениздат, 1975
3.Таганрогский государственный радиотехнический университет. Обнаружение сигналов. [Электронный ресурс] — Режим доступа http://vunivere.ru/work2285 (дата обращения 15.09.2016)
4. Измерения в ВЧ связи. Каналы и аппаратура. Под редакцией Шпарина Ю.Т. М.2014
5. М.С.Немировский Цифровая передача информации в радиосвязи М. Связь, 1980
6. А.с. 1506579 СССР, МКИ H04L27/14. Устройство для демодуляции телеграфных сигналов/ Н.К.Тёмкин. заявлено 08.04.1987; опубл. 07.08.1989. Бюл.№33.

Рубрики и ключевые слова