СПОСОБ СВЯЗИ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫМИ СИГНАЛАМИ С ПОВЫШЕННОЙ СТАБИЛЬНОСТЬЮ СИНХРОНИЗАЦИИ
METHOD OF COMMUNICATION BY ULTRA-WIDEBAND SIGNALS WITH HIGH STABILITY OF SYNCHRONISATION

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике, в частности к скоростным системам радиосвязи, использующим импульсные сверхширокополосные (СШП) сигналы, у которых рабочая полоса и средняя частота сигнала сравнимы. Благодаря отсутствию несущей частоты импульсный сигнал с очень малой длительностью (порядка 1 нсек и менее) и большой скважностью позволяет повысить скорость передачи информации, сохранить качество передаваемой информации на высоком уровне и скрытность передачи.
Известен способ по патенту US 6925109 «Method and system for fast acquisition of ultra-wideband signals)). James L. Richards, Mark D. Roberts. 02.08.2005. Сущность этого способа вхождения в синхронизм состоит в использовании любой части многолучевого распространения кодовой последовательности импульсного радиосигнала. За счет увеличенного импульсного потока многолучевого радиосигнала возникает возможность корреляционной обработки с образцовым импульсным потоком и при их совпадении система входит в синхронизм. При пороговой обработке, по крайней мере, одной отраженной части многолучевости после проверки на синхронизм система осуществляет быстрый захват. Таким образом, способ обнаружения импульсного радиосигнала заключается в приеме импульсного сигнала, измерении образцового (копии) импульсного потока, поиске импульсного сигнала за счет сдвига копии импульсного потока до момента их совпадения.
К недостатку известной системы можно отнести неработоспособность в мобильном исполнении, так как условие многолучевости непредвиденно изменяется в зависимости от дальности и относительного положения приемника и передатчика.
Известен способ быстрой синхронизации по патенту US 6967993 «Ultra wide bandwidth system and method for fast synchronization using sub-code spins». Timothy R. Miller. 22.11.2005. Способ заключается в приеме входного СШП сигнала, формировании копии входного сигнала в СШП приемнике, анализе входного СШП сигнала и сравнении с копией входного сигнала с заранее определенным порогом, получении результата сравнения, сдвиге копии входного сигнала, когда результат анализа превышает заранее определенный порог, изменении величины порога, повторении указанных операций сравнения, сдвиге копии входного сигнала.
Недостатком предлагаемого способа является необходимость сравнительно большого отношения сигнал/помеха на входе приемника.
Известен способ и система связи с быстрым вхождением в синхронизм сверхширокополосными сигналами [Патент RU №2 354 048. Способ и система связи с быстрым вхождением в синхронизм сверхширокополосными сигналами. Кыштымов Г.А., Бондаренко В.В. и др. 27.04.2009 г. Бюл. №12].
Сущность способа вхождения в синхронизм состоит в использовании двух независимых радиоканалов - СШП радиоканала и широкополосного (ШП) радиоканала с ФМ или ЧТ радиосигналами, по которым одновременно распространяется, например, кодовая последовательность синхросигнала.
К недостаткам этого способа синхронизации можно отнести его работоспособность только при отсутствии многолучевости в ШП радиоканале.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ вхождения в синхронизм, описанный в [I.J. Immoreev, A.A. Sudakov, "Ultra-Wideband Interference Resistant System for Secure Radio Communication with High Data Rate", ICCSC′02, St. Petersburg, Russian Federation, June 2002] («Сверхширокополосная помехоустойчивая система скрытой связи с высокой скоростью передачи данных», стр.230-232) и принятый за прототип.
Блок-схема радиостанции СШП связи - прототипа представлена на фиг.1, где введены следующие обозначения:
I - общая часть устройства:
3 - переключатель прием/передача;
4 - широкополосный фильтр (ШПФ);
5 - антенна;
II - передающая часть:
1- буферное устройство;
2 - генератор сверхширокополосных (СШП) импульсов;
III - приемная часть:
6 - малошумящий усилитель;
7 - аттенюатор;
8 - делитель мощности;
9 - блок временного окна канала сигнала;
10 - пороговое устройство канала сигнала;
11 - буферное устройство канала сигнала;
12 - формирователь порогового напряжения канала сигнала;
13 - блок 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.
Радиостанция-прототип работает следующим образом (см. фиг.1). Информация, поступающая на «вход/выход» блока 17 обработки и управления, кодируется в последовательность импульсов, которые через буферное устройство 1 запускают генератор СШП импульсов 2. СШП импульсы поступают через переключатель 3 прием/передача и ШПФ 4 в антенну 5, которая излучает сигнал в эфир. Два канала приемной части абонентского СШП приемопередатчика осуществляют параллельный прием.
Один канал служит для приема сигнала, второй для оценки уровня внешних шумов и сигналов переотражений от препятствий, расположенных на пути распространения СШП сигнала. Основу каждого канала составляет чувствительное пороговое устройство канала сигнала 10 и чувствительное пороговое устройство канала шума 14, выполненные на базе ключевых туннельных диодов, предназначенных для работы в диапазоне СВЧ. Прием в сигнальном и шумовом каналах осуществляется в соответствующих временных окнах (временных интервалах). Сигнал, принимаемый антенной 5 радиостанции, проходит через переключатель 3, усиливается малошумящим усилителем 6 и подается через аттенюатор 7 на делитель 8 мощности на два канала: на канал сигнала и на канал шума. По первому каналу через блок 9 временного окна канала сигнал поступает на первый вход порогового устройства 10 канала сигнала, где происходит сравнение с пороговым напряжением формирователя 12 порогового напряжения канала сигнала. Шумы со второго выхода блока 8 через блок 13 временного окна канала шума подаются на первый вход порогового устройства канала шума 14, где происходит сравнение с пороговым напряжением формирователя канала шума 16. С выхода пороговых устройств канала сигнала 10 и канала шума 14 результаты сравнения через соответствующие буферные устройства 11 и 15 поступают на обработку в цифровой сигнальный процессор (ЦСП) блока 17 обработки и управления. Сигнальный процессор анализирует отклонения от пороговых напряжений, принимаемый сигнал и принимаемые шумы. В зависимости от результатов обработки осуществляется регулировка чувствительности приемной части III путем подстройки порогов формирователями порогового напряжения канала сигнала 12 и канала шума 16. Регулировка динамического диапазона приемной части производится с помощью аттенюатора 7. Также по результатам анализа осуществляется управление работой блока 18 синхронизации. Перед началом работы осуществляется калибровка приемной части по внешним шумам. Основные задачи калибровки - установка пороговых напряжений, подаваемых на пороговые устройства канала сигнала 10 и канала шума 14. При калибровке уровень порога в канале сигнала устанавливается выше, чем пороговое напряжение в канале шума, на величину, необходимую для достижения требуемой вероятности ошибки на бит. Калибровка осуществляется после включения питания приемной части и после потери сигнала в рабочем режиме. После завершения калибровки приемной части система переходит в режим поиска сигнала. Поиск сигнала - это режим, обеспечивающий вхождение в синхронизм приемной и передающей частей системы связи. Передающая часть источника сообщения излучает служебный сигнал, который служит для установления связи между ним и приемной частью. В этом режиме блок синхронизации 18 через устройство 9 производит поиск сигнальным окном в приемной части абонентской станции сигнала передающей части источника сообщения. Принятый сигнал устанавливается по центру окна. Процедура поиска сигнала осуществляется системой синхронизации и так же, как и калибровка, производится после включения питания приемной части и после потери сигнала в рабочем режиме. В рабочем режиме постоянно осуществляется оценка уровня шумов в шумовых окнах. При изменении измеренного уровня шума изменяются значения порогов в шумовом и соответственно сигнальном канале, а также происходит регулировка уровня сигнала входным аттенюатором 7. Наряду с этим в рабочем режиме производится постоянное слежение за положением принимаемого СШП сигнала в сигнальном окне. При отклонении положения СШП сигнала от центра окна на заданный минимальный временной интервал система синхронизации формирует команду на смещение сигнального окна на необходимый временной интервал. В случае потери сигнала (отсутствие импульсов в сигнальном окне) система связи выходит из рабочего режима и переходит в режим калибровки и поиска сигнала.
Способ-прототип заключается в следующем.
Производится излучение передатчиком (ПРД) синхронизирующей последовательности (синхропосылки) СШП импульсов. В приемнике (ПРМ) производится калибровочный цикл СШП сигналов в следующей последовательности:
- усиление внешних входных шумов в шумовых окнах;
- сравнение внешних входных шумов с пороговым напряжением;
- регулировка динамического диапазона СШП приемника путем изменения коэффициента ослабления аттенюатора по результатам сравнения;
- регулировка чувствительности СШП приемника путем изменения уровня пороговых напряжений в пороговых устройствах каналов сигнала и шума.
Далее происходит цикл поиска, включающий:
- поиск временным сигнальным окном входных СШП импульсов за счет временного смещения сигнального окна, осуществляемого блоком формирования временных окон;
- совмещение (установка) центра сигнального окна с СШП импульсом;
- вхождение в синхронизм СШП приемника с СШП передатчиком. Следующий цикл рабочий:
- непрерывное слежение за уровнем СШП сигнала и стабилизация его уровня на входе сигнального порогового устройства путем изменения коэффициента ослабления аттенюатора;
- непрерывное слежение за уровнем шумов во временных шумовых окнах, при изменении этого уровня изменяются также уровни пороговых напряжений в пороговых устройствах в сигнальном и шумовом каналах;
- прием и передача СШП информации в чередующихся временных интервалах приема и передачи (ПРМи ПРД).
Однако при осуществлении способа-прототипа затрачивается длительное время на последовательное смещение и поиск временным сигнальным окном хотя бы одного СШП импульса на всем периоде повторения синхропосылки с дискретным шагом (0,5÷1) длительности СШП импульса, что при скважности следования СШП импульсов Q=50÷100 составит 50÷200 циклов смещения временного окна. Таким образом, общее время вхождения в синхронизм всей системы связи составит 190÷400 циклов.
Недостатком способа-прототипа является значительное время, затрачиваемое на вхождение в синхронизм СШП системы связи.
Другой недостаток состоит в следующем. В этом способе применяется равномерно-интервальное двоичное кодирование, когда прием и передача коротких импульсов осуществляется в заранее известных равномерно расположенных и чередующихся временных интервалах, длительность которых значительно больше длительности одного единственного СШП импульса, который может находиться в этом окне. Иначе говоря, один СШП синхроимпульс (или информационный сигнал «1» или «0») может находиться в сравнительно большом по длительности окне, чтобы упростить осуществление взаимной синхронизации передающей и принимающей радиостанций.
В то же время известно, что прием сигнала в окне, длительность которого не намного превышает длительность информационного сигнала, улучшает помехозащищенность устройства от импульсных помех, так как большая часть импульсных помех попадает в шумовые окна. Также улучшается помехозащищенность от приема переотраженных сигналов при многолучевом распространении. Однако в целом такая система радиосвязи работоспособна только при использовании узконаправленных антенн и при стационарном положении передающей и приемной радиостанции.
Поэтому при использовании антенн с круговой направленностью необходимо передавать информационные сигналы «1» или «0» в виде неравномерно-интервального кода, состоящего из заранее известных n=3,4,5,6 или 7 и т.д. неравномерных интервалов между СШП импульсами. В этом случае при использовании разных интервалов существенно повышается помехозащищенность передачи информации путем исправления одной, двух и более ошибок в принятом коде за счет использования мажоритарных схем приема информации, но с соответствующим снижением скорости передачи в n раз из-за избыточности информационных импульсов.
Значительное уменьшение избыточности информационных импульсов достигается при позиционном кодировании двоичного кода. Сущность этого кодирования в том, что одним информационным сигналом, располагающимся на одной определенной позиции, можно передавать любое число N разрядного кода. Совместное использование позиционного кодирования с неравномерно интервальным кодированием каждого информационного сигнала позволяет сохранить как скорость передачи, так и помехозащищенность, в частности, при многолучевом распространении сигнала.
Но для осуществления позиционного кодирования нужна очень высокая точность и стабильность синхронизации между двумя радиостанциями при всех неблагоприятных условиях, а в мобильных вариантах и с учетом эффекта Доплера. Принципиальным недостатком таких схем является требование высокой идентичности задающих генераторов на обоих сторонах канала связи. Даже дорогие и громоздкие прецизионные кварцевые генераторы не решают проблему идентичности задающих генераторов на обеих сторонах канала связи, особенно при работе с высокоскоростными мобильными объектами.
Для устранения указанных недостатков в способе связи сверхширокополосными сигналами с повышенной стабильностью синхронизации, включающем цикл установки собственных данных и данных абонента в СШП приемнике и передатчике; калибровочный цикл, при котором внешние шумы на входе приемника усиливают, их уровень сравнивают с пороговым напряжением в пороговом устройстве шумового канала, по результатам сравнения уровней шумов блок обработки и управления устанавливает опорные напряжения порогов, подаваемые на пороговые устройства сигнального и шумового каналов, затем осуществляется регулировка динамического диапазона приемника и регулировка чувствительности приемника, согласно изобретению после прохождения калибровочного цикла и установки обеих радиостанций в режим приема, первая радиостанция переходит из режима приема в режим передачи и излучает для второй радиостанции сигнал вызова, состоящий из нескольких СШП импульсов, занимающих определенные позиции выбранного позиционно-интервального кода; одновременно с окончанием сигнала вызова в первой радиостанции включается вспомогательный счетчик и считает определенные тактовые импульсы до момента прихода сигнала ответа на посланный вызов; при этом первая радиостанция переходит из режима передачи в режим приема до момента прихода сигнала ответа от второй радиостанции; во второй радиостанции с поступлением сигнала вызова включается определенный (стандартный) интервал приема и затем такой же стандартный интервал передачи, в конце которого посылается сигнал ответа, также состоящий из нескольких СШП импульсов, занимающих середину определенных позиций кода данной радиостанции, а после излучения сигнала ответа во второй радиостанции устанавливается стандартный интервал приема; из переданных и полученных нескольких СШП импульсов с помощью мажоритарных схем, повышающих надежность и помехозащищенность, выделяется соответственно один СШП импульс вызова во второй радиостанции и один СШП импульс ответа в первой радиостанции, после приема которого в первой радиостанции вспомогательный счетчик прекращает свой счет и его данные поступают в блок обработки и управления, где вычисляется время прохождения сигнала ответа со второй радиостанции; причем в блок обработки и управления первой радиостанции с выхода местного синтезатора частот на основе системы импульсно-фазовой автоподстройки частоты с делителем опорной частоты после местного опорного генератора поступает также высокостабильная частота, от которой в этом блоке формируются для приемника необходимые тактовые частоты, рабочие интервалы и позиции, в середине которых находятся короткие СШП импульсы; одновременно с выхода местного опорного генератора первой радиостанции в блок обработки и управления поступает высокостабильная частота, от которой в этом блоке формируются для передатчика необходимые тактовые частоты, рабочие интервалы и позиции, в середине которых находятся короткие СШП импульсы; с поступлением импульса ответа в первой радиостанции формируется интервал передачи, укороченный на время прохождения сигнала ответа со второй радиостанции так, что окончание укороченного интервала передачи в первой радиостанции и окончание стандартного интервала приема во второй радиостанции совпадают без учета времени прохождения радиосигнала; в результате выравнивания интервалов между радиостанциями устанавливается предварительный синхронизм, после чего, для более точной синхронизации и непрерывной коррекции начала и окончания каждого интервала, опорный вход синтезатора частот первой радиостанции переключается с местного делителя опорной частоты от местного опорного генератора на опорный сигнал, формируемый от принятого ответного синхросигнала со второй радиостанции; в результате между приемником первой радиостанции и передатчиком второй радиостанции устанавливается синхронизм с точностью до фазы, т.к. все интервалы теперь формируются от одного опорного генератора второй радиостанции; после этого импульсы с блока формирования ответного синхросигнала поступают не только на опорный вход местного синтезатора частот, но и на вход сброса и установки в начальное состояние местного делителя опорной частоты; при этом на выходе местного делителя опорной частоты и на выходе блока формирования ответного синхросигнала создаются опорные импульсы одинаковой частоты и одинаковой фазы, что позволяет в любой момент при необходимости мгновенно переводить синтезатор частот первой радиостанции на опорный сигнал от местного опорного генератора; точно так же происходит и во второй радиостанции, т.е. при приеме ответных синхроимпульсов от первой радиостанции синтезатор частот второй радиостанции переключается от местного опорного сигнала на опорный сигнал, формируемый от принятого ответного синхросигнала с первой радиостанции; после чего между приемником второй радиостанции и передатчиком первой радиостанции устанавливается синхронизм с точностью до фазы, т.к. теперь все интервалы формируются от одного опорного генератора от первой радиостанции; в результате создается синхронность и синфазность в работе двух радиостанций.
На фиг.1 представлена блок-схема радиостанции СШП связи-прототипа; на фиг.2 показана обобщенная функциональная схема, поясняющая предлагаемый способ; временные диаграммы, поясняющие вхождение в синхронизм двух радиостанций СШП связи и их последующую работу, приведены на фиг.3.
В основу предлагаемого способа поставлена задача создать высокостабильную синхронизацию в работе двух связанных СШП радиостанций. При этом передатчик первой радиостанции излучает в каждом интервале ПРД синхроимпульсы и информационные сигналы, а приемник второй радиостанции принимает эти сигналы и с помощью местного синтезатора частот (СЧ) на основе системы ИФАПЧ синхронизирует свои интервалы ПРМ с интервалами от передатчика с точностью до фазы. И также передатчик второй радиостанции излучает в каждом интервале ПРД синхроимпульсы и информационные сигналы, а приемник первой радиостанции принимает эти сигналы и с помощью местного СЧ синхронизирует свои интервалы ПРМ с интервалами от передатчика с точностью до фазы. Иначе говоря, получаются две синхронные системы ИФАПЧ, работающие каждая от своего опорного генератора (ОГ). Эта синхронизация сохраняется при всех дестабилизирующих факторах и в скоростных мобильных устройствах. Синтезатор частот может быть выполнен на микросхеме, например, ADF4001THna фирмы Analog Devices [9].
С помощью мажоритарных схем блока обработки и управления не только повышается надежность синхронизации, но и появляется возможность регулирования мощности излучения передатчика. Например, при неблагоприятной обстановке (дальняя связь, недостаточная мощность передатчика, помехи) не все 6 импульсов сигнала вызова могут быть обнаружены. Тогда должна включаться мажоритарная схема, с помощью которой может быть выделен импульс синхронизации, если поступят 4 или 5 импульсов. Оптимальный вариант, когда поступает 5 импульсов. Если поступает 4 импульса, то мощность передатчика недостаточна и затем необходимо передать команду на увеличение мощности. Если поступают все 6 импульсов, то мощность передающей радиостанции может быть избыточна и затем необходимо передать команду на уменьшение мощности. Для обеспечения быстрого вхождения в синхронизм канала СШП связи в приемнике необходимо осуществить несколько последовательных временных циклов.
При включении питания все радиостанции СШП связи после сброса и установки в исходное состояние счетчиков, регистров и других цифровых устройств проходят калибровочный цикл СШП приемника, затем переходят в режим приема (ПРМ) и ожидают сигнал вызова.
В калибровочном цикле СШП приемника осуществляется усиление, предварительная калибровка чувствительности по внешним входным шумам, уровень которых в шумовых окнах сравнивается с опорным напряжением. По результатам сравнения уровней шумов блок обработки и управления по управляющей шине устанавливает опорные напряжения, подаваемые на пороговые устройства сигнального и шумового каналов. При этом уровень порогов в сигнальном канале устанавливается выше, чем опорное напряжение в шумовом канале, на величину, необходимую для достижения требуемой вероятности ошибки на бит. Регулировка динамического диапазона приемника осуществляется также по управляющей шине путем изменения коэффициента ослабления аттенюатора. Таким образом, калибровочный цикл заявленной СШП системы связи полностью соответствует калибровочному циклу прототипа.
1
1
6
3
6
В следующем, после калибровочного, цикле синхронизации, первая радиостанция переходит из режима приема (ПРМ) в режим передачи (ПРД) и посылает сигнал вызова для второй радиостанции (см. временные диаграммы, поясняющие вхождение в синхронизм двух радиостанций на фиг.3, момент времени t). Одновременно с окончанием излучения сигнала вызова (t) включается вспомогательный счетчик и считает определенные тактовые импульсы до момента прихода ответа на посланный вызов (t). После окончания режима ПРД (t) в первой радиостанции начинается режим ПРМ и продолжается до поступления сигнала ответа (t) на посланный вызов.
В каждой радиостанции все рабочие частоты и интервалы приемника формируются от одной высокостабильной частоты, которая образуется на выходе цифрового синтезатора частот (ЦСЧ) и поступает на вход блока обработки и управления (см. фиг.2). ЦСЧ построен на основе системы импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) и обеспечивает в режиме синхронизма заданную выходную частоту с точностью до фазы опорного сигнала, т.е. это синфазная система.
2
4
5
5
7
Во второй радиостанции после прихода сигнала вызова от первой радиостанции в момент времени t (см. фиг.3) начинается интервал ПРМ стандартный и продолжается до момента времени t, после которого начинается такой же стандартный интервал ПРД. В конце этого интервала ПРД (t) посылается сигнал ответа в первую радиостанцию и сразу устанавливается стандартный интервал ПРМ (t-t).
6
6
6
7
Сигнал ответа с передатчика второй радиостанции в конце интервала ПРД поступает на первую радиостанцию в момент времени t в интервал ПРМ, который сохранялся до прихода ответного сигнала. Одновременно с приходом сигнала ответа (t) останавливается вспомогательный счетчик и в блоке обработки и управления вычисляется величина задержки на прохождение радиосигнала. После этого в первой радиостанции включается интервал ПРД (t-t), укороченный по сравнению со стандартным на величину рассчитанной задержки времени.
Задача предварительной синхронизации заключается в том, чтобы в первой радиостанции сдвинуть интервалы на величину задержки и получить полное совпадение интервала ПРД с интервалом ПРМ во второй радиостанции. Причем последующий интервал ПРМ в первой радиостанции должен полностью совпасть с последующим интервалом ПРД во второй радиостанции и т.д. «Полное» совпадение интервалов надо понимать условно без учета времени прохождения радиосигнала между радиостанциями.
7
7
При этом окончание укороченного интервала передачи (t) в первой радиостанции и окончание стандартного интервала приема во второй радиостанции (t) совпадают без учета времени прохождения радиосигнала, а в результате выравнивания интервалов между радиостанциями устанавливается предварительный синхронизм.
7
8
9
10
После этого для более точной синхронизации и непрерывной коррекции начала и окончания каждого интервала опорный вход синтезатора частот первой радиостанции переключается с местного делителя опорной частоты от местного опорного генератора на опорный сигнал, формируемый от второй радиостанции (t-t). Частоты этих опорных сигналов одинаковые. В результате все дальнейшие интервалы в приемнике первой радиостанции и все интервалы в передатчике второй радиостанции теперь формируются от одного опорного генератора во второй радиостанции (t-t).
8
9
Точно так же опорный вход синтезатора частот второй радиостанции переключается с местного делителя опорной частоты от местного опорного генератора на опорный сигнал, формируемый от первой радиостанции (t-t).
10
11
В результате все дальнейшие интервалы в приемнике второй радиостанции и все интервалы в передатчике первой радиостанции теперь формируются от одного опорного генератора в первой радиостанции (t-t).
Таким образом, между радиостанциями устанавливается полный синхронизм с точностью до фазы и любые изменения синхроимпульсов и информационных импульсов в передатчике одной радиостанции точно повторяются на выходе приемника другой радиостанции.
Для повышения надежности синхронизации после установления полного синхронизма между радиостанциями импульсы с формирователя ответного синхросигнала в первой радиостанции поступают не только на опорный вход местного синтезатора частот, но и на вход сброса и установки в начальное состояние местного опорного делителя частоты, на вход которого приходит высокостабильная частота от местного опорного генератора.
В результате на выходе местного делителя опорной частоты и на выходе формирователя ответного синхросигнала образуются опорные импульсы одинаковой частоты и одинаковой фазы, что позволяет в любой момент при необходимости мгновенно переводить синтезатор частот на опорный сигнал от местного опорного генератора и сохранить синхронность и синфазность в работе двух радиостанций.
Точно так же во второй радиостанции после поступления синхроимпульсов с блока формирования ответного синхросигнала на опорный вход местного синтезатора частот эти синхроимпульсы начинают поступать на вход сброса местного делителя опорной частоты. В результате во второй радиостанции на выходе местного делителя опорной частоты и на выходе формирователя ответных синхроимпульсов образуются потоки синхроимпульсов одинаковой частоты и одинаковой фазы, что также позволяет в любой момент при необходимости мгновенно переключить синтезатор частот второй радиостанции на опорный сигнал от местного опорного генератора.
Рабочий цикл, т.е. устойчивый прием информации, осуществляется при различных внешних воздействиях на систему связи в виде узкополосных, импульсных и шумовых помех, эффекта Доплера, многолучевого прохождения сигнала. В рабочем цикле непрерывно стабилизируется уровень СШП сигнала на входе порогового устройства сигнального канала путем изменения коэффициента ослабления аттенюатора, а также непрерывное измерение уровня шумов в шумовых окнах с необходимым изменением опорных напряжений пороговых устройств.
В рабочем цикле непрерывно автоматически поддерживается высокостабильная синхронизация работы взаимосвязанных радиостанций: формирование рабочих интервалов, необходимых позиций внутри этих интервалов и формирование СШП импульсов в середине заданных позиций. Таким образом, предлагаемый способ включает в себя следующие циклы:
1. Цикл установки собственных данных и данных абонента в СШП приемнике и передатчике.
2. Калибровочный цикл приемника для СШП сигнала аналогичен такому же
циклу в прототипе.
3. Установка обеих радиостанций (передающей и принимающей) в режим приема, после которого одна из этих радиостанций переходит из режима приема в режим передачи и излучает для второй радиостанции сигнал вызова, состоящий из нескольких СШП импульсов, занимающих определенные позиции выбранного позиционно-интервального кода.
4. Одновременно с окончанием сигнала вызова в передающей (первой) радиостанции включается вспомогательный счетчик и считает определенные тактовые импульсы до момента прихода сигнала ответа на посланный вызов.
5. Одновременно с окончанием сигнала вызова передающая радиостанция переходит из режима передачи в режим приема до момента поступления сигнала ответа от второй радиостанции.
6. Во второй радиостанции с поступлением сигнала вызова включается определенный (стандартный) интервал приема и затем такой же стандартный интервал передачи, в конце которого посылается сигнал ответа, состоящий из нескольких СШП импульсов, занимающих середину определенных позиций кода данной радиостанции. После излучения сигнала ответа во второй радиостанции устанавливается стандартный интервал приема.
7. Из переданных и принятых нескольких СШП импульсов с помощью мажоритарных схем, повышающих надежность и помехоустойчивость, выделяется соответственно один СШП импульс вызова во второй радиостанции и один СШП импульс ответа в первой радиостанции, после которого в первой радиостанции вспомогательный счетчик прекращает свой счет и его данные поступают в блок обработки и управления. В этом блоке вычисляется время прохождения сигнала ответа со второй радиостанции, по которому можно определить расстояние между радиостанциями.
8. С поступлением сигнала ответа в первой радиостанции формируется интервал передачи, укороченный на время прохождения сигнала ответа со второй радиостанции так, что окончание укороченного интервала передачи в первой радиостанции и окончание стандартного интервала приема во второй радиостанции совпадают без учета времени прохождения радиосигнала. В результате выравнивания интервалов между радиостанциями устанавливается предварительный синхронизм.
9. После этого для более точной синхронизации и непрерывной коррекции начала и окончания каждого интервала (ПРМ и ПРД) опорный вход синтезатора частот первой радиостанции переключается с местного делителя опорной частоты от местного ОГ на опорный сигнал, формируемый от второй радиостанции с помощью блока формирования ответного синхросигнала. В результате между передатчиком второй радиостанции и приемником первой радиостанции устанавливается синхронизм с точностью до фазы.
10. После этого синхроимпульсы с блока формирования ответного синхросигнала в первой радиостанции поступают не только на опорный вход местного синтезатора частот, но и на вход сброса и установки в начальное состояние местного делителя опорной частоты. В результате на выходе местного делителя опорной частоты и на выходе формирователя ответных синхроимпульсов проходят потоки синхроимпульсов одинаковой частоты и одинаковой фазы, что позволяет в любой момент при необходимости мгновенно переключать синтезатор частот первой радиостанции на опорный сигнал от местного ОГ.
1.1. Точно так же во второй радиостанции после поступления синхроимпульсов с блока формирования ответного синхросигнала на опорный вход местного синтезатора частот эти синхроимпульсы начинают поступать на вход сброса местного делителя опорной частоты. В результате во второй радиостанции на выходе местного делителя опорной частоты и на выходе формирователя ответных синхроимпульсов образуются потоки синхроимпульсов одинаковой частоты и одинаковой фазы, что так же позволяет в любой момент при необходимости мгновенно переключить синтезатор частот второй радиостанции на опорный сигнал от местного ОГ. Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами.
1. Повышено быстродействие при вхождении в синхронизм между двумя радиостанциями, т.к. в приемнике отсутствует длительный процесс поиска временным сигнальным окном входного СШП импульса.
2. Синхронизация между передатчиком одной радиостанции и приемником другой радиостанции происходит с точностью до фазы, т.к. все интервалы, позиции внутри интервалов, а также короткие импульсы СШП связи в середине этих позиций формируются от одного опорного генератора на передающей стороне канала связи. Иначе говоря, это наиболее полная синхронизация на основе синфазных систем обеспечивает принципиально более высокую стабильность и точность эксплуатационных параметров системы связи.
3. Полная синхронизация с точностью до фазы от одного опорного генератора позволяет избавиться от необходимости использования прецизионных кварцевых генераторов и дает возможность работы со сверхскоростными мобильными объектами связи.
4. По сравнению с прототипом предлагаемый способ обладает более высокой помехоустойчивостью и надежностью как при вхождении в синхронизм, так и при передаче информации из-за использования позиционно-интервального кодирования и мажоритарных схем для выделения синхроимпульсов и информационных сигналов.
5. Использование мажоритарных схем для выделения синхроимпульсов помогает не только повысить точность и стабильность синхронизации, но и позволяет гибко регулировать выходную мощность передатчика для обеспечения помехозащищенности и оптимального энергопотребления.
Мажоритарная схема может быть построена на соответствующих микросхемах. Например, микросхема КР1533ЛПЗ представляет собой строенный мажоритарный элемент и применяется для повышения надежности и помехозащищенности аппаратуры (8). Логическое состояние выхода микросхемы определяется совпадающим состоянием любых двух входов из трех (см. И.И. Петровский и др. Логические ИС КР1533, КР1554. Справочник. В двух частях. Часть 2, стр.283. Москва, Бином, 1993 г.). Логическая схема с набором таких мажоритарных элементов позволяет сделать устройство, например, для пяти или шести входов из семи и т.д. Предлагаемый способ является новым, поскольку из общедоступных сведений не известны ни способы, ни устройства, позволяющие осуществить синхронизацию между импульсными СШП радиостанциями с точностью до фазы и стабильно поддерживать эту синхронизацию при воздействии различных неблагоприятных условий и в скоростных мобильных устройствах.
Источники информации
1. US 5687169. Full Duplex Ultra wide - Band Communication System and Method. Larry W. Fullerton. 24.11.1997.
2. US 2003/0067963 Al. 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.
3. US 2005/0135491 Al. Ultra wide - Band Communication System and Method. John Santhoff, Steven A. Moore. 23.06.2005.
4. US 2004/0156445 Al. Ultra wide - Band Communication System, Method, And Device With Low Noise Pulse Formation. John W. McCorkle. 12.08.2004.
5.1.J. Immoreev, A.A. Sudakov. Ultra-Wideband Interference Resistant System for Secure Radio Communication with High Data Rate, ICCSC'02, St. Petersburg, Russian Federation, June 2002, pp.230-233.
6. И.Я. Иммореев, A.A. Судаков. Сверхширокополосная помехоустойчивая система скрытой связи с высокой скоростью передачи данных, Сборник докладов Всероссийской научной конференции. Муром, 1-3 июля 2003 г.- Муром: Изд.- полиграфический центр МИ ВлГУ, 2003 г., стр.435-440.
7. RU №2354048. Способ и система связи с быстрым вхождением в синхронизм сверхширокополосными сигналами. Кыштымов Г.А., Бондаренко В.В. и др. Опубл. 27.04.2009 г. Бюл. №12.
8. И.И. Петровский и др. Логические ИС КР1533, КР1554. Справочник. В двух частях. - М., Бином, 1993 г.
9. Голуб В. С. Новые синтезаторы частот серии ADF4xxx // Chip News. 2002. №4, С.20-23.