УСТРОЙСТВО СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОЙ РАДИОСВЯЗИ С ПОВЫШЕННОЙ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬЮ
ULTRA-WIDEBAND RADIO COMMUNICATION DEVICE WITH INCREASED NOISE IMMUNITY

Изобретение относится к радиотехнике, в частности, к высокоскоростным системам радиосвязи (устройствам), использующим сверхкороткие импульсные (СКИ) сверхширокополосные (СШП) сигналы, у которых рабочая полоса частот и средняя частота спектра сигнала сравнимы по величине. Системы связи (устройства) с применением сверхширокополосных сигналов описаны в ряде статей и патентов.
Предложенное направление совершенствования СШП систем, в [US 2003/0067963 A1 Mode Controller For Signal Acquisition And Tracking In Ultra Wide Band Communication System. Timothy R. Miller, Gerard P. Lynch, Deepak M. Joseph. 10.04.2003] - построение цифровых систем с обработкой входного сигнала путем считывания определенного числа выборок сигнала и шума, определения вероятностных характеристик уровней мощности сигнала и шума с последующей обработкой направленной на увеличение отношения сигнал/шум на входе исполнительного устройства, однако, с помощью такой обработки достигнут выигрыш не более 2-3 дБ.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство сверхширокополосной радиосвязи: [Патент на изобретение №2527487 RU, «Устройство сверхширокополосной радиосвязи с повышенной помехозащищенностью», Антипенский Р.В., Бондаренко В.В., Любавский А.П., 2014], взятое за прототип изобретения.
Недостатком устройства прототипа является низкая помехоустойчивость и как следствие - короткая длина линии радиосвязи.
Технический результат, на получение которого направлено изобретение - увеличение помехоустойчивости приема по сверхширокополосному каналу при значениях отношения сигнал/шум близким к единице минимум на 10…15 дБ.
Указанный технический результат достигается тем, устройство сверхширокополосной радиосвязи с повышенной помехоусточивостью, содержащее последовательно соединенные малошумящий усилитель, аналого-цифровой преобразователь, вейвлет-фильтр синхронизирующего сигнала, формирующий на выходе короткий перепад напряжения соответствующий фронту смены частоты частотно-манипулированного сигнала, блок синхронизации, устройство временного окна канала шума, пороговое устройство канала шума, буферное устройство канала шума и блок обработки и управления, дискриминатор, выходы которого соединены с формирователем последовательности прямоугольных импульсов с линейно возрастающей паузой, вход которого соединен с блоком обработки и управления и формирователем последовательности прямоугольных импульсов с линейно убывающей паузой, вход которого также соединен с блоком обработки и управления, которые последовательно соединены с генераторами сверхширокополосных импульсов, выходы которых соединены с сумматором, переключатель прием/передача, второй выход которого соединен со входом малошумящего усилителя, сверхширокополосный фильтр и антенну, последовательно соединенные устройство временного окна канала сигнала, пороговое устройство канала сигнала, согласованный фильтр и буферное устройство канала сигнала, выход которого соединен со вторым входом блока обработки и управления, последовательно соединенные формирователь синхронизирующей импульсной последовательности, усилитель широкополосного синхронизирующего сигнала, переключатель и полосовой фильтр, выход которого соединен со входом антенны, а также аттенюатор, формирователь порогового напряжения канала сигнала, выход которого соединен со вторым входом порогового устройства канала сигнала, формирователь порогового напряжения канала шума, выход которого соединен со вторым входом порогового устройства канала шума, при этом первый выход блока обработки и управления соединен со входом буферного устройства, а второй общий выход является шиной управления и соединен со вторыми входами переключателя, переключателя прием/передача, аналого-цифрового преобразователя, вейвлет-фильтра синхронизирующего сигнала, блока синхронизации, входами формирователя синхронизирующей импульсной последовательности, формирователя порогового напряжения канала сигнала, формирователя порогового напряжения канала шума и управляющим входом аттенюатора, сигнальный вход которого объединен со входом вейвлет-фильтра синхронизирующего сигнала, а второй выход блока синхронизации соединен со вторым входом устройства временного окна канала сигнала, согласно изобретению дополнительно введены: дискриминатор, формирователи последовательностей прямоугольных импульсов с линейно возрастающей/убывающей паузой, генераторы сверхширокополосных импульсов, сумматор, и согласованный фильтр в сигнальном канале приемопередающего устройства.
Сущность изобретения достигается тем, что дополнительно введены: дискриминатор, формирователи последовательностей прямоугольных импульсов с линейно возрастающей/убывающей паузой, генераторы сверхширокополосных импульсов, сумматор, и согласованный фильтр в сигнальном канале приемо-передающего устройства, этим достигается указанный в изобретении технический результат.
Схема устройства приведена на фигуре, где обозначены: 1 - дискриминатор, 2 - сумматор, 3 - переключатель прием/передача, 4 - сверхширокополосный фильтр (СШПФ), 5 - антенна, 6 - сверхширокополосный малошумящий усилитель, 7 - аттенюатор, 8 - согласованный фильтр, 9 - устройство временного окна канала сигнала, 10 - пороговое устройство канала сигнала, 11 - буферное устройство канала сигнала, 12 - формирователь порогового напряжения канала сигнала, 13 - устройство временного окна канала шума, 14 - пороговое устройство канала шума, 15 - буферное устройство канала шума, 16 - формирователь порогового напряжения канала шума, 17 - блок обработки и управления, 18 - блок синхронизации, 19 - формирователь синхронизирующей импульсной последовательности, 20 - усилитель широкополосного синхронизирующего сигнала, 21 - формирователь последовательности прямоугольных импульсов с линейно возрастающей паузой, 22 - полосовой фильтр, 23 - переключатель, 24 - формирователь последовательности прямоугольных импульсов с линейно убывающей паузой, 25 - аналого-цифровой преобразователь, 26 - вейвлет-фильтр синхронизирующего сигнала, 27 - генератор СШП импульсов, 28 - вейвлет-фильтр СШП сигнала, 29 - генератор СШП импульсов.
Назначение дискриминатора 1, сумматора 2 и согласованного фильтра 8 ясны из их названия, они могут быть реализованы базе промышленно реализуемых элементов. Формирователи последовательностей прямоугольных импульсов с линейно возрастающей/убывающей паузой, предназначенные для формирования единичной/нулевой посылок могут быть реализованы по известным схемам на лавинных транзисторах (см., например, Арслан X., Чен Чж. Н., Бенедетто М., Сверхширокополосная беспроводная связь. Москва: Техносфера, 2012, стр. 146). Генератор сверхширокополосных импульсов может быть реализован с помощью схем изложенных в Дьяконов В.П., Генерация и генераторы сигналов. Москва: ДМК Пресс, 2009, стр. 111.
Устройство сверхширокополосной радиосвязи с повышенной помехоустойчивостью работает следующим образом. В начале сеанса связи осуществляется калибровочный цикл определения уровня шума в канале приема и цикл установки собственных данных и данных абонента в приемнике и передатчике. Передатчик излучает в свободное пространство сложный сигнал, состоящий из импульсного сверхширокополосного сигнала для передачи информации и широкополосного ЧМн сигнала СИП, полоса частот которого расположена ниже границы рабочей полосы СШП сигнала. Сигнал, предназначенный для передачи, в виде закодированной последовательности импульсов служебного канала, а также иной аудио- и видео- информации подается на ввод «Вх/Вых» блока обработки и управления 17, который устанавливает по шине управления коды приема в блоке синхронизации 18, согласованной фильтре 8 и коды передачи в формирователе СИП высокочастотного сигнала 19, формирователе последовательности прямоугольных импульсов с линейно возрастающей паузой 21, формирователе последовательности прямоугольных импульсов с линейно убывающей паузой 24. После анализа помеховой обстановки аналогично прототипу устанавливаются коды порогового напряжения канала сигнала и канала шума, код переключателя 3 прием/передача и код переключателя 23 установлен в режим «передача». В режиме «передача» выход сумматора 2 подключается к СШПФ 4, выход усилителя 20 широкополосного сигнала подключается через переключатель 23 к полосовому фильтру 22, а сигнальный вход сверхширокополосного малошумящего усилителя 6, через переключатель 3 подключен к фильтру СШПФ 4. Код передачи соответствует адресу абонента, а код приема соответствует собственному адресу передающего устройства. После завершения калибровки пороговых устройств 10, 12 осуществляется поиск для вхождения в синхронизм абонентского приемника и передатчика. Для этого, блок обработки и управления 17, в заявляемом устройстве в отличии от прототипа, выдает синхронизирующую последовательность импульсов на дискриминатор 1, который разделяет входной сигнал на единичный и нулевой потоки, каждый из которых затем поступает на формирователи 21 и 24 соответственно, формирователь 21 формирует последовательность прямоугольных импульсов с линейно возрастающей паузой (с параметрами заданными блоком обработки и управления 17), а формирователь 24 - последовательность прямоугольных импульсов с линейно убывающей паузой (с параметрами заданными блоком обработки и управления 17); длительности этих последовательностей соответствуют длительностям входных импульсов модулирующего сигнала, с выходов формирователей 21 и 24 последовательности прямоугольных импульсов поступают на генераторы СШП импульсов 29 и 27, которые по фронту прямоугольного формируют СШП импульс заданной полярности и с заданной паузой между импульсами; далее сумматор 2 суммирует выходные сигналы генераторов, формируя выходной сигнал. Каждая составляющая синхронизирующей последовательности СШП импульсов соответствует определенным образом отдельному фрагменту СИП последовательности служебного канала. Это позволяет, с одной стороны, по нескольким принятым составляющим синхронизирующей последовательности СШП сигнала определить начало и конец СИП последовательности, а с другой стороны, зная моменты смены частоты ЧМн сигнала синхронизировать временное окно приемника СШП сигнала, повышая тем самым его помехоустойчивость. Усиленный ШП сигнал формирователя СИП высокочастотного сигнала 19 с выхода усилителя 20 через цепь, сформированную в режиме «передача» поступает в антенну 5 и излучается в эфир. Временные интервалы между видео импульсами СИП, (то есть, между моментами смены частот ЧМн синхросигнала), кратны периодам следования импульсов СШП сигнала, при этом они синхронизированы в эти моменты. Сформированный синхросигнал на выходе сумматора 2 через сформированную в режиме «передача» цепь возбуждает антенну 5, которая излучает СШП сигнал в эфир совместно с ШПС. Процесс передачи синхросигнала повторяется еще один раз и затем, в запрашивающем приемопередающем устройстве блок 17 обработки и управления коммутирует переключатель 3 прием/передача в состояние «прием», то есть, антенна 5 и СШПФ 4 подключаются к входу сверхширокополосного малошумящего усилителя 24. В процессе приема передаваемого сигнала аналогичным абонентским устройством, принятый антенной 5 и усиленный сверхширокополосным малошумящим усилителем 6 сложный сигнал, состоящий из ШПС синхронизации, СШП сигнала и помех преобразуется в дискретный сигнал сверхбыстродействующим АЦП 25, поступает на вход ШП вейвлет-фильтра 26 и через аттенюатор 7 на вход СШП вейвлет-фильтра 28. В цепи синхронизации на выходе вейвлет-фильтра 26 выделяется короткий перепад напряжения соответствующий фронту смены частоты ЧМн сигнала. Перепад напряжения осуществляют синхронизацию выходных стробов блока синхронизации 18, причем, временные промежутки между выходными стробами кратны временным промежуткам выделенным синхронизирующим фронтам смены частот. Первый выход блока 18 синхронизации стробирует временное окно канала сигнала в соответствующие моменты прихода импульса СШП сигнала с выхода вейвлет-фильтра 28. При попадании принятого и усиленного импульса СШП сигнала во временное окно канала сигнала, пороговое устройство 10 канала сигнала срабатывает и пропускает сигнал через согласованный фильтр 8 и буферное устройство 11 канала сигнала на вход блока 17 обработки и управления. Отличие заявляемого устройства от прототипа заключается в использовании согласованного фильтра 8, позволяющего обеспечить повышенную помехоустойчивость. При поступлении сигнала с выхода вейвлет-фильтра 28 два канала приемного устройства осуществляют параллельный прием СК СШП сигнала. Один канал служит для оценки уровня сигнала, второй для оценки уровня внешних шумов. Основу каждого канала составляют чувствительное пороговое устройство 10 канала сигнала и чувствительное пороговое устройство 14 канала шума. Прием в сигнальном и шумовом каналах осуществляется в соответствующих временных интервалах (временных окнах), обеспечиваемых устройствами (9) и 13 временных окон сигнала и шума соответственно. Прием сигнала в окне, длительность которого не намного превышает длительность СК СШП импульса, позволяет дополнительно обеспечить повышенную помехоустойчивость. С выхода вейвлет-фильтра 28, обработанный устройствами 9 и 13 временных окон сигнала и шума, поступает на пороговое устройство 10 канала сигнала и пороговое устройство 14 канала шума. С выхода порогового устройства (10) через согласованный фильтр 8 и буферный элемент 11 сигнал поступают на вход блока 17 обработки и управления. Аналогично на другой вход блока 17 обработки и управления поступает сигнал с выхода порогового устройства 14 через буферный элемент 15. Сигнальный процессор блока 17 обработки и управления анализирует уровень принимаемого сигнала и принимаемого шума, разрешает или запрещает работу схемы синхронизации и регулирует пороговое напряжение, подаваемое на обнаружитель в соответствие с заданным критерием обнаружения. В данной системе связи используется критерий идеального наблюдателя, при котором пороговое напряжение устанавливается равным половине максимального напряжения принимаемого импульса информативного сигнала. Для осуществления автоматической регулировки порогового напряжения производится оценка вероятности ошибки на бит принимаемого сигнала и в зависимости от результатов обработки осуществляется регулировка чувствительности приемника путем подстройки порогов в формирователях 12, 16 пороговых напряжений каналов сигнала и шума через шину управления. Регулировка динамического диапазона приемника производится с помощью аттенюатора 7. По результатам анализа осуществляется также управление работой блока 18 синхронизации и согласованного фильтра 8. Как указывалось выше, перед началом работы осуществляется калибровка приемника по внешним шумам. Основные задачи калибровки - установка опорных напряжений подаваемых на пороговые устройства сигнального и шумового каналов. После анализа помеховой обстановки устанавливаются коды порогового напряжения для порогового устройства 10 и 14. Калибровка осуществляется после включения питания приемника и после потери сигнала в рабочем режиме.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить помехоустойчивость приема СШП сигналов на 10…15 дБ и тем самым устраняет недостатки прототипа.
Предлагаемое техническое решение является новым поскольку из общедоступных сведений не известно устройство сверхширокополосной радиосвязи, реализующее обмен данными на основе передачи единичной посылки последовательностью из N СШП импульсов положительной полярности с линейно возрастающей паузой между импульсами, передачи нулевой посылки - последовательностью из N СШП импульсов отрицательной полярности с линейно убывающей паузой между импульсами.