СПОСОБ И СИСТЕМА СВЯЗИ С БЫСТРЫМ ВХОЖДЕНИЕМ В СИНХРОНИЗМ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫМИ СИГНАЛАМИ
METHOD AND COMMUNICATION SYSTEM WITH FAST ACQUISITION BY ULTRA-WIDEBAND SIGNALS

Предлагаемое техническое решение относится к радиотехнике, в частности к скоростным системам радиосвязи, использующим импульсные сверхширокополосные (СШП) сигналы, у которых рабочая полоса и средняя частота сигнала сравнимы.
Существенное увеличение объема передаваемой информации наиболее эффективно при повышении скорости передачи, что возможно только за счет увеличения ширины полосы частот информационного канала. Системы передачи информации короткими импульсами по сравнению с традиционными системами связи обеспечивают более высокую степень защиты от многолучевого распространения. Однако в условиях воздействия естественных и преднамеренных помех частотная избыточность приводит к увеличению вероятности поражения помехами рабочей полосы СШП системы связи. Использование в известных системах связи при приеме/передаче таких методов как повторный вызов, когерентное накопление и корреляционная обработка сигнала повышает помехозащищенность, но при существенном снижении скорости передачи информации.
Известен метод по патенту [US 6925109. Method and system for fast acquisition of ultra-wideband signals. James L. Richards, Mark D. Roberts. 02.08.2005]. Сущность 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.
Известна более современная система [US 6925108 Ultrawide bandwidth system and method for fast synchronizaton. Timothy R. Miller. 02.08.2005]. Метод идентификации фазы входного СШП сигнала содержит следующие этапы: прием входных импульсов СШП сигнала, соседние импульсы которого поступают в фиксированные интервалы; генерация локальных импульсов в СШП приемнике; корреляция локальных импульсов с входными импульсами и получение корреляционной функции; определение максимума корреляционной функции при каждом смещении локальных импульсов в СШП приемнике, содержащее определение первого максимума на первом фазовом интервале, анализа корреляционной функции для нахождения второго импульса, который превышает первый максимум; поиск интервалов вокруг второго максимума около второго фазового интервала и определение является ли второй максимум действительно максимумом.
К недостаткам можно отнести то, что этот способ эффективен только при большом отношении сигнал/помеха на входе приемного устройства.
Метод быстрой синхронизации [US 6967993. Ultrawide bandwidth system and method for fast synchronization using sub-code spins. Timothy R. Miller. 22.11.2005] 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 технического решения является также наличие большого отношения сигнал/помеха на входе приемника.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ вхождения в синхронизм, описанный в [I.J.Immoreev, А.А.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.233, принятая за прототип.
Способ-прототип заключается в следующем. Производится излучение передатчиком синхронизирующей последовательности (синхропосылки) сверхширокополосных (СШП) импульсов. В приемнике 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 с помощью изменения коэффициента ослабления аттенюатора по результатам сравнения;
- регулировка чувствительности СШП приемника изменением уровня пороговых напряжений пороговых устройств 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 изменением коэффициента ослабления аттенюатора;
- непрерывное слежение за уровнем шумов во временных шумовых окнах, при изменении которых изменяются уровни пороговых напряжений пороговых устройств в сигнальном и шумовом каналах;
- прием и передача СШП информации.
Однако при осуществлении способа-прототипа затрачивается длительное время на последовательное смещение (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 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.
Для устранения указанных недостатков в способе быстрого вхождения в синхронизм сверхширокополосной (СШП) системы связи, включающем цикл установки собственных данных и данных абонента в СШП приемнике и передатчике, излучение передатчиком синхропосылок СШП импульсов, калибровочный цикл, цикл поиска приемником входных СШП импульсов, вхождение в синхронизм приемника и передатчика с последующим рабочим циклом, при этом в калибровочном цикле внешние шумы на входе приемника усиливают, стробируют в шумовом временном окне, их уровень сравнивают с пороговым напряжением в пороговом устройстве шумового канала и по результатам сравнения блок обработки и управления осуществляет регулировку динамического диапазона приемника, регулировку чувствительности приемника, в цикле поиска входного СШП импульса его усиливают, осуществляют поиск СШП импульса временным смещением блоком синхронизации последовательности стробирующих импульсов блока временного окна сигнального канала, следующих с тактовой частотой следования входных СШП импульсов до момента установки каждого СШП импульса в центре временного окна сигнального канала, сравнивают их уровень с пороговым напряжением и по результатам сравнения повторяют шаги по регулировке динамического диапазона и чувствительности приемника, описанные в калибровочном цикле, после завершения этих операций абонентский приемник входит в синхронизм с передатчиком источника сообщения, т.к. тактовые частоты следования синхропосылки СШП импульсов и тактовые частоты последовательности временных окон сигнального канала совпадают, согласно изобретению, передатчик излучает синхронизирующую или информационную последовательность ФМн или ЧТ сигнала, причем момент изменения фазы ФМн сигнала или момент изменения частоты ЧТ сигнала опережает на время τ начало излучаемой синхропосылки СШП импульсов, в цикле поиска входной ФМн или ЧТ сигнал усиливают, его спектр переносят на промежуточную частоту в блоке высокой частоты и промежуточной частоты (ВЧ и ПЧ) ФМн или ЧТ приемника, преобразуют в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе (АЦП), обрабатывают за время τ вейвлет-фильтром, который формирует видеоимпульсы, соответствующие моментам изменения фазы входного ФМн сигнала или моментам изменения частоты входного ЧТ сигнала, и синхронизируют каждым упомянутым выше видеоимпульсом блок синхронизации временных окон СШП приемника, формирующим каждый раз последовательность импульсов, стробирующих блок временного окна, следующих с его тактовой частотой, совпадающей с синхронизирующей последовательностью излучаемых СШП импульсов, причем центр каждого временного окна сигнального канала совпадает с каждым входным СШП импульсом, а последовательность видеоимпульсов с выхода вейвлет-фильтра, соответствующая коду синхронизирующей или символам информационной последовательности, кода «1», кода «0» ФМн или ЧТ сигнала, декодируют с выделением видеоимпульса, соответствующего коду синхропосылки, коду «1», коду «0», при выполнении этих операций СШП и ФМн или ЧТ приемник входит в синхронизм соответственно с СШП и ФМн или ЧТ передатчиком.
В основу предлагаемого способа поставлена задача создать способ быстрого вхождения в синхронизм СШП системы связи, в которой передатчик излучает сложный сигнал в виде синхронизирующей последовательности (синхропосылки) СШП импульсов, соответствующей адресу вызываемого абонента, и собственного адреса в основной рабочей полосе частот и синхронизирующей или информационной последовательности (СИП) ФМн или ЧТ сигнала (в виде синхропосылки, информационных символов кода «1», кода «0» или любой закодированной информации) в полосе частот, лежащей ниже основной рабочей полосы частот. Синхронизирующая последовательность СШП импульсов состоит из последовательности импульсов - синхропосылки в виде кода, соответствующего адресу вызываемого абонента и собственного кода. При этом каждому моменту изменения фазы ФМн сигнала или частоты ЧТ сигнала соответствует с заданной задержкой τ начало каждой синхронизирующей последовательности СШП сигнала. Таким образом, синхронизирующая последовательность СШП импульсов излучается в каждом элементе кодового символа синхронизирующей или информационной последовательности ФМн или ЧТ сигнала.
Для обеспечения быстрого вхождения в синхронизм канала СШП связи в приемнике необходимо осуществить несколько последовательных временных циклов.
В калибровочном цикле СШП приемника осуществляется усиление, предварительная калибровка чувствительности по внешним входным шумам, уровень в шумовых временных окнах сравнивается с опорным напряжением. По результатам сравнения уровней шумов блок обработки и управления устанавливает опорное напряжение порогов, подаваемых 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 изменением коэффициента ослабления аттенюатора по управляющей шине. Таким образом, калибровочный цикл заявленной СШП системы связи полностью соответствует калибровочному циклу прототипа. Калибровочный цикл приемника ФМн или ЧТ сигнала обеспечивается системой автоматической регулировки усиления (АРУ) в блоке высокой частоты и промежуточной частоты (ВЧ и ПЧ) ФМн или ЧТ.
В цикле поиска принятая синхронизирующая или информационная последовательность ФМн или ЧТ сигнала усиливается, его спектр переносится на промежуточную частоту и преобразуется в цифровую форму, обрабатывается за время τ вейвлет-фильтром, который выделяет видеоимпульсы, соответствующие каждому моменту изменения фазы ФМн сигнала или каждому моменту изменения частоты ЧТ сигнала. Видеоимпульсы с выхода вейвлет-фильтра синхронизируют блок синхронизации временных окон каналов сигнала и шума таким образом, что каждый входной СШП импульс попадает в центр этих временных окон. Так осуществляется полная синхронизация СШП приемника.
Выделение синхропосылки или символов информационной последовательности осуществляется декодером по последовательности выходных видеоимпульсов вейвлет-фильтра, что позволяет ФМн или ЧТ приемнику входить в синхронизм за один цикл синхропосылки.
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, коротких и длительных перерывов в сеансах связи как по СШП каналу связи так и/или по ФМн или ЧТ каналу связи. 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 временных окнах с необходимым изменением опорных напряжений пороговых устройств.
Таким образом, предлагаемый способ включает в себя следующие циклы:
1. Цикл установки собственных и исходных данных в приемнике:
- установка кода тактовой частоты формирования кода абонента и собственного кода в синхропосылке СШП сигнала в СШП передатчике;
- установка в ФМн передатчике кода частоты несущего сигнала и синхропосылки с кодом абонента или частот манипуляции в ЧТ передатчике и синхропосылки с кодом абонента;
- установка в приемнике копии синхропосылки СШП импульсов собственного кода тактовой частоты формирования этого кода;
- установка несущей частоты принимаемого ФМн сигнала и собственного кода синхропосылки или частот ЧТ сигнала и собственного кода синхропосылки в приемнике.
2. Излучение передатчиком сложного сигнала в виде синхропосылки ФМн или ЧТ сигнала и смещенной на время τ синхропосылки СШП импульсов.
3. Калибровочный цикл приемника для СШП сигнала аналогичен такому же циклу в прототипе, кроме того, производится автоматическая регулировка усиления (АРУ) в блоке ВЧ и ПЧ приемника ФМн или ЧТ сигнала.
4. Цикл поиска в приемнике происходит следующим образом:
- обработка за время τ синхропосылки ФМн или ЧТ сигнала с помощью вейвлет-фильтра;
- выделение вейвлет-фильтром видеоимпульса, соответствующего моменту изменения фазы ФМн сигнала или моменту изменения частоты ЧТ сигнала;
- запоминание последовательности видеоимпульсов, сравнение ее с информационным символом кода «1» или «0», с кодом синхропосылки ФМн или ЧТ сигнала, выделение сигнала о принятом символе кода «1», «0», кода синхропосылки, т.е. вхождение в синхронизм ФМн или ЧТ приемника с ФМн или ЧТ передатчиком;
- синхронизация выходным видеоимпульсом вейвлет-фильтра блока синхронизации временных окон для сигнального и шумового каналов, причем центр временного сигнального окна совпадает с входным СШП импульсом;
- прием одной или, для повышения достоверности, нескольких синхропосылок СШП сигнала;
- обработка синхропосылки СШП сигнала в блоке обработки и управления (с помощью операций запоминания, сложения, смещения, умножения, сравнения и т.д. в цифровом виде);
- вхождение в синхронизм СШП канала системы связи с выдачей квитанции «синхронизм».
5. Рабочий цикл:
- непрерывное слежение за уровнем СШП сигнала и его стабилизация на входе порогового устройства сигнального канала изменением коэффициента ослабления аттенюатора;
- непрерывное слежение за уровнем шумов в шумовых окнах СШП канала с последующей регулировкой пороговых напряжений пороговых устройств сигнального и шумового СШП каналов;
- непрерывное слежение за уровнем входного ФМн или ЧТ сигнала и стабилизация с помощью АРУ на выходе усилителя промежуточной частоты (УПЧ) блока ВЧ и ПЧ;
- прием и передача СШП, ФМн или ЧТ информации.
При этом выделим следующие основные, наиболее сложные варианты работы:
1. одновременная работа мобильной связи СШП и ФМн или ЧТ системы связи;
2. работа мобильной СШП при неработающем ФМн или ЧТ канале связи;
3. работа мобильной ФМн или ЧТ системы связи при неработающей СШП системе связи.
По первому варианту. Поддержание синхронизма СШП канала связи обеспечивается непрерывно по ФМн или ЧТ каналу связи. Режим синхронизма ФМн или ЧТ канала связи сохраняется, т.к. видеоимпульсы с выхода вейвет-фильтра осуществляют необходимую коррекцию при удлинении или укорочении по длительности заданного кода.
По второму варианту. Синхронизм СШП системы связи сохраняется при непрерывном слежении за положением СШП импульса в центре временного сигнального окна (как в прототипе). При наличии перерывов в работе СШП системы связи сеанс работы начинается с цикла поиска и вхождения в синхронизм СШП и ФМн или ЧТн каналов связи.
По третьему варианту. Синхронизм ФМ или ЧТ канала связи сохраняется, т.к. видеоимпульсы с выхода вейвлет-фильтра производят необходимую коррекцию при удлинении или укорочении по длительности заданного кода, если начинается работа СШП канала связи.
Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами.
Объединение процессов синхронизации СШП канала с синхронизацией или с режимом передачи информации ФМн или ЧТ канала связи с применением вейвлет-анализа для обработки ФМн или ЧТ сигналов позволяет:
- довести время вхождения в синхронизм СШП канала связи за одну - три синхропосылки;
- довести время вхождения в синхронизм ФМн или ЧТ канала связи за время передачи одной ФМн или ЧТ синхропосылки;
- обеспечить быстрое вхождение в синхронизм СШП и ФМн или ЧТ каналов связи как для стационарных, так и/или мобильных систем связи;
- повысить помехозащищенность вхождения в синхронизм канала СШП системы связи, т.к. отсутствует в приемнике процесс поиска временным сигнальным окном входного СШП импульса, что позволяет для повышения достоверности осуществить прием нескольких СШП синхропосылок;
- помехозащищенность канала ФМн или ЧТ системы связи полностью определяется свойствами вейвлет-фильтра, работающего при соотношении сигнал/помеха на входе до (0÷1) дБ и с соотношением сигнал/помеха на выходе (10÷12) дБ.
Системы связи и устройства с применением сверхширокополосных сигналов описаны в ряде статей и патентов. Примерами могут служить устройства СШП импульсной системы связи, защищенные патентами США [US 4641317 Spread Spectrum Radio Transmission System. Larry W. Fullerton. 03.12.84; US 5677927 Ultra wide - Band Communication System and Method. Larry W. Fullerton; Ivan A.Cowie. 14.10.1997; US 5687169 Full Duplex Ultra wide - Band Communication System and Method. Larry W. Fullerton. 24.11.1997]. Эти системы импульсной радиосвязи для передачи информации используют одну или несколько импульсных поднесущих. В импульсном радиоприемнике используется кросс-коррелятор, осуществляющий свертку близких по форме входного сигнала с эталонным сигналом, состоящих из ста пятидесяти - двухсот импульсов, засинхронизированных по времени с известным кодом передатчика. Выходное напряжение кросс-коррелятора интегрируется для восстановления сигнала из шума и помех. Однако при этом накладываются определенные ограничения на уровень искажения формы принимаемого сигнала, так как при распространении СШП сигнала форма его изменяется в зависимости от расстояния приема/передачи. Из-за широкой полосы частот и сверхкороткой длительности импульсов требования к точности синхронизации в этих системах необычайно высоки. В этих известных СШП системах сигналы синхронизации и автоподстройки связаны между собой и с основными информационными сигналами на одном энергетическом уровне, а так как спектральная плотность всех сигналов находится на уровне шумов, то система в значительной степени подвержена сбоям. Вхождение в синхронизм таких систем связи с СШП сигналами требует недопустимо большого времени, т.к. необходимо осуществлять перебор путем временного сдвига эталонных импульсов с шагом, равным (0,54÷1) длительности СШП сигнала, на всем периоде следования синхросигнала.
Известны также высокоскоростные системы связи с СШП сигналами с использованием сверхбыстродействующего порогового обнаружения [US 3662316 Shot Base - Band Pulse Receiver. Kenneth W. Robbins 09.05.1972; US 3728632. Transmission and Reception System for Generation and Receiving Base-Band Duration Pulse Communication System/Gerald F. Ross. 17.04.1973]. В последних источниках описаны простые одинаковые схемы импульсных радиоприемников с низкой чувствительностью, работающие только при больших отношениях сигнал/помеха.
Известна более современная система [US 6925108 Ultrawide bandwidth system and method for fast synchronizaton. Timothy R. Miller. 02.08.2005]. Метод идентификации фазы входного СШП сигнала заключается в следующем: на многоканальный коррелятор поступают принимаемые импульсы и импульсы с различными временными промежутками между ними, которые соответствуют отдельным временным промежуткам опорной кодовой последовательности. При совпадении любого указанного промежутка (фазовый интервал) один из корреляторов формирует первый максимум. При очередном совпадении на втором фазовом интервале второй коррелятор формирует второй максимум. Если второй максимум выше первого максимума, то применяется решение о запуске опорной импульсной последовательности и система входит в синхронизм. К недостаткам можно отнести работоспособность синхронизации этой системы связи только при большом отношении сигнал/помеха на входе приемного устройства.
Метод быстрой синхронизации [US 6967993. Ultrawide bandwidth system and method for fast synchronization using sub-code spins. Timothy R. Miller. 22.11.2005] заключается в том, что контроллер проверяет выход коррелятора, на входы которого поступает входной СШП сигнал с достаточным отношением сигнал/помеха и опорная импульсная последовательность, которая циклически смещается во времени. Контроллер генерирует управляющий сигнал, принуждающий синхрогенератор опорной кодовоимпульсной последовательности останавливаться или следить за входным СШП сигналом всякий раз при совпадении с опорной кодовой последовательностью.
Недостатком известного технического решения является необходимость наличия большого отношения сигнал/помеха на входе приемника для обеспечения работоспособности системы.
Известен метод 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 метода 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. 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.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является система связи, описанная в [I.J.Immoreev, А.А.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), принятая за прототип.
Функциональная схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где обозначено:
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.
Устройство-прототип содержит в общей части I приемопередатчика последовательно соединенные переключатель 3 прием/передача, широкополосный фильтр (ШПФ) 4 и антенну 5; в передающей части последовательно соединенные буферное устройство 1 и генератор 2 сверхширокополосных (СШП) импульсов, выход которого соединен с входом переключателя 3 прием/передача; в приемной части последовательно соединенные малошумящий усилитель 6, аттенюатор 7, делитель 8 мощности, блок 9 временного окна канала сигнала, пороговое устройство 10 канала сигнала, буферное устройство 11 канала сигнала, выход которого соединен с первым входом блока 17 обработки и управления, первый выход которого шиной подключен к входам формирователей 12 и 16 порогового напряжения каналов сигнала и шума, к входу блока 18 синхронизации и вторыми входам аттенюатора 7 и переключателя 3 прием/передача, второй выход которого соединен с входом малошумящего усилителя 6. Кроме того, второй выход делителя 8 мощности через последовательно соединенные блок 13 временного окна канала шума, пороговое устройство 14 канала шума и буферное устройство 15 канала шума соединен со вторым входом блока 17 обработки и управления, первый выход которого соединен с входом буферного устройства 1. Первый выход блока 18 синхронизации соединен со вторым входом блока 9 временного окна сигнала. Второй выход блока 18 синхронизации соединен со вторым входом блока 13 временного окна шума. Выходы формирователей порогового напряжения канала сигнала 12 и канала шума 16 подключены соответственно ко вторым входам пороговых устройств канала сигнала 10 и канала шума 14. Вход-выход блока 17 обработки и управления является вх/вых информации.
Устройство-прототип работает следующим образом.
Информация, поступающая на «вх-вых» блока 17 обработки и управления, кодируется в последовательность импульсов, которые через буферное устройство 1 запускают генератор 2 СШП импульсов. 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 10 канала сигнала и чувствительное пороговое устройство 14 канала шума, 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). Прием сигнала в окне, длительность которого не намного превышает длительность информационного сигнала, позволяет обеспечить помехозащищенность. Сигнал, принимаемый антенной 5 абонентской станции через переключатель 3, усиливается малошумящим усилителем 6 и подается через аттенюатор 7, делитель 8 мощности и блок 9 на вход порогового устройства 10 канала сигнала, где происходит сравнение с пороговым напряжением формирователя 12. Шумы со второго выхода блока 8 через блок 13 канала шума подаются на первый вход порогового устройства 14 канала шума, где происходит сравнение с пороговым напряжением формирователя 16. С выхода пороговых устройств 10 канала сигнала и 14 канала шума 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 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 включении 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.
синх
u
u
Время вхождения системы связи в синхронизм τ определяется перебором временного сдвига синхронизирующих импульсов с шагом, равным (0,5÷1) длительности СШП сигнала τ во всем промежутке следования синхроимпульсов Т. Так как длительность СШП импульса τ много меньше Т (в 100 и более раз), то реальное время вхождения в синхронизм даже при соотношении сигнал/помеха, равном 10 дБ, может достигать от 0,05 сек до 0,5 сек.
Время вхождения в синхронизм можно определить по формуле:
СИНХ
где τ - время вхождения в синхронизм;
Т - период синхросигнала;
u
τ - длительность СШП импульса.
Недостатком устройства-прототипа является неэффективное использование высокой пропускной способности канала радиосвязи из-за длительного времени вхождения системы в синхронизм.
Для устранения указанного недостатка в систему с быстрым вхождением в синхронизм, содержащую общую, передающую и приемную части, причем общая часть содержит последовательно соединенные переключатель прием/передача, широкополосный фильтр (ШПФ) и антенну, передающая часть содержит буферное устройство и генератор сверхширокополосных (СШП) импульсов, приемная часть содержит последовательно соединенные малошумящий усилитель, аттенюатор, делитель мощности, блок временного окна канала сигнала, пороговое устройство канала сигнала и буферное устройство канала сигнала, выход которого соединен с первым входом блока обработки и управления, последовательно соединенные блок временного окна канала шума, пороговое устройство канала шума и буферное устройство канала шума, выход которого соединен со вторым входом блока обработки и управления, при этом второй выход делителя мощности соединен с первым входом блока временного окна канала шума, второй вход которого подсоединен ко второму выходу блока синхронизации, первый выход которого соединен со вторым входом блока временного окна канала сигнала, кроме того, первый выход блока обработки и управления соединен шиной с входами формирователей пороговых напряжений канала сигнала и канала шума, с первым входом блока синхронизации, со вторыми входами аттенюатора и переключателя прием/передача, выход которого соединен с входом малошумящего усилителя, причем второй выход блока обработки и управления соединен с входом буферного устройства, выход генератора СШП импульсов соединен с первым входом переключателя прием/передача, выходы формирователей пороговых напряжений канала сигнала и канала шума соединены соответственно со вторыми входами пороговых устройств канала сигнала и канала шума, вход-выход блока обработки и управления является входом-выходом информации, согласно изобретению, введены в общую часть первый и второй полосовые фильтры (ПФ) и переключатель ПФ, выходы-входы которого соединены соответственно с входами-выходами полосовых фильтров, выходы которых подсоединены к антенне, в передающую часть - последовательно соединенные формирователь синхронизирующей и информационной последовательности (СИП) и усилитель, выход которого соединен с первым входом переключателя полосовых фильтров (ПФ), устройство задержки сигнала, включенное между выходом буферного устройства и входом генератора СШП импульсов, в приемную часть - последовательно соединенные блок ВЧ и ПЧ, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и вейвлет-фильтр, выход которого соединен со вторым входом блока синхронизации, который является блоком синхронизации временных окон и выполнен со вторым входом для установки его в начальное состояние, причем вторые входы блока ВЧ и ПЧ, АЦП, вейвлет-фильтра и переключателя ПФ, а также вход формирователя СИП соединены шиной с первым выходом блока обработки и управления, вход блока ВЧ и ПЧ подсоединен к выходу переключателя ПФ, кроме того, выход вейвлет-фильтра соединен с входом декодера, выходы которого являются соответственно выходами видеоимпульсов, соответствующих коду «1», коду «0» и коду синхропосылки.
На фиг.1 представлена структурная схема системы-прототипа; на фиг.2 - структурная схема предлагаемого приемопередатчика; на фиг.3 - ФМн-180 сигнал с соотношением сигнал/помеха = 2; на фиг.4 - ФМн сигнал на выходе вейвлет-фильтра; на фиг.5 - ЧТ сигнал с соотношением сигнал/помеха = 2 на входе вейвлет-фильтра; на фиг.6 - ЧТ сигнал на выходе вейвлет-фильтра.
Предлагаемая система, осуществляющая способ быстрого вхождения в синхронизм, состоит, как минимум, из двух приемопередатчиков - приемопередатчика источника сообщения и аналогичного абонентского приемопередатчика, поэтому рассмотрим систему на примере построения с одним приемопередатчиком.
На фиг.2 представлена схема приемопередатчика предлагаемой системы, где обозначено:
I - общая часть устройства:
3 - переключатель прием/передача;
4 - широкополосный фильтр (ШПФ);
5 - антенна;
21, 22 - первый и второй полосовые фильтры (ПФ);
23 - переключатель полосовых фильтров (ППФ);
II - передающая часть (ПРД):
1 - буферное устройство;
2 - генератор сверхширокополосных (СШП) импульсов;
19 - формирователь синхронизирующей и информационной последовательности (СИП);
20 - усилитель ФМн или ЧТ сигнала;
27 - устройство задержки сигнала;
III - приемная часть (ПРМ):
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 временных окон;
24 - блок высокой частоты и промежуточной частоты (ВЧ и ПЧ);
25 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
26 - вейвлет-фильтр;
28 - декодер.
Предлагаемое устройство содержит общую I, передающую II и приемную III части. Общая часть I приемопередатчика содержит последовательно соединенные переключатель прием/передача 3 и ШПФ 4, выход которого подсоединен к антенне 5, кроме того, переключатель полосовых фильтров 23, первый и второй выходы-входы которого соединены с входами первого 21 и второго 22 ПФ соответственно. Выходы ПФ 21 и 22 подключены к антенне 5.
Передающая часть содержит последовательно соединенные буферное 1, устройство задержки сигнала 27 и генератор СШП импульсов 2, выход которого соединен с первым входом переключателя прием/передача 3, последовательно соединенные формирователь СИП 19 и усилитель 20, выход которого соединен с первым входом переключателя полосовых фильтров 23.
Приемная часть III содержит последовательно соединенные малошумящий усилитель 6, аттенюатор 7, делитель 8 мощности, блок 9 временного окна канала сигнала, пороговое устройство 10 канала сигнала, буферное устройство 11 канала сигнала, выход которого соединен с первым входом блока 17 обработки и управления, последовательно соединенные блок ВЧ и ПЧ 24, АЦП 25 и вейвлет-фильтр 26, выход которого соединен со вторым входом блока синхронизации временных окон 18 и с входом декодера 28, выходы которого являются выходами видеоимпульсов соответственно синхропосылки, символа информационной последовательности «1» и «0». Для упрощения обозначения блоков высокой и промежуточной частот назовем их блоком ВЧ и ПЧ 24, который состоит из входного малошумящего усилителя, смесителя с гетеродином и усилителя промежуточной частоты.
Кроме того, приемная часть III содержит последовательно соединенные блок временного окна канала шума 13, пороговое устройство 14 канала шума и буферное устройство 15 канала шума, выход которого соединен со вторым входом блока 17 обработки и управления. При этом первый выход блока 17 обработки и управления соединен шиной с входами формирователей порогового напряжения канала сигнала 12, канала шума 16 и формирователя СИП 19, с первым входом блока 18 синхронизации временных окон, со вторыми входами вейвлет-фильтра 26, АЦП 25, блока ВЧ с выходом на ПЧ 24, аттенюатора 7, переключателя полосовых фильтров 23 и переключателя 3 прием/передача, выход которого соединен с входом малошумящего усилителя 6. Второй выход блока 17 обработки и управления соединен с входом буферного устройства 1. Вход-выход блока 17 обработки и управления является информационным входом-выходом. При этом выход переключателя 23 полосовых фильтров соединен с первым входом блока ВЧ с выходом на ПЧ 24. Второй выход делителя 8 мощности соединен с первым входом блока временного окна канала шума 13.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Передающая часть источника сообщения излучает в свободное пространство сложный сигнал, состоящий из импульсного СШП сигнала и широкополосного ФМн или ЧТ сигнала, полоса частот которого расположена ниже границы рабочей полосы СШП сигнала. Сигнал в виде закодированной последовательности импульсов, а также иной аудио- и видео-информации подается на ввод «вх/вых» блока 17 и излучается в виде СШП сигнала. Блок 17 устанавливает по шине коды приема в блоке 18 и коды передачи в формирователе СИП 19, и коды частот принимаемого ФМн или ЧТ сигналов в блоке 24. После анализа помеховой обстановки аналогично прототипу в абонентском приемнике устанавливаются коды порогового напряжения канала сигнала и канала шума, переключатель 3 и переключатель 23 устанавливаются в режим «передача». В режиме «передача» выход генератора 2 подключается к ШПФ 4, выход усилителя 20 подключается через переключатель 23 ко второму ПФ 22, а вход блока 24 через переключатель 23 подключается к первому ПФ 21. Синхропосылка ФМн или ЧТ сигнала соответствует адресу абонента, а код приема соответствует собственному адресу передающей части устройства. После завершения калибровки осуществляется поиск для вхождения в синхронизм абонентского приемника и передатчика источника сообщения. Для этого блок 17 выдает синхронизирующую последовательность СШП импульсов через буфер 1 и устройство задержки сигнала 27 на вход СШП генератора 2, в которой содержится информация о коде адреса абонента и коде передатчика источника сообщения. Время задержки τ устройства задержки сигнала 27 определяется временем обработки ФМн или ЧТ сигнала в вейвлет-фильтре 26 и временем его распространения по ВЧ и ПЧ тракту.
Каждая синхронизирующая последовательность СШП импульсов соответствует определенным образом отдельному элементу СИП ФМн или ЧТ сигнала. Это позволяет, по моментам изменения фазы ФМн сигнала (или смены частоты ЧТ сигнала), засинхронизировать сигнальное временное окно таким образом, что его центр совпадал с импульсом. Усиленный ФМн или ЧТ сигнал формирователя СИП 19 с выхода усилителя 20 через цепь, сформированную в режиме «передача», поступает в антенну 5 и излучается в эфир. Временные интервалы между моментами изменения фазы фазоманипулированного сигнала (или моментами изменения частот ЧТ синхросигнала) кратны периоду следования импульсов СШП сигнала, при этом начало синхропосылки СШП импульсов задерживают на время τ относительно этих моментов перехода. Сформированный синхросигнал через буферное устройство 1 и устройство задержки сигнала 27 запускает генератор 2 и через сформированную в режиме «передача» цепь возбуждает антенну 5, которая излучает СШП сигнал в эфир совместно с ФМн или ЧТ сигналом. Процесс передачи синхросигнала повторяется еще один раз и затем, в приемопередатчике источника сообщения блок 17 коммутирует переключатель 3 прием/передача в состояние «прием», то есть антенна 5 и ШПФ 4 подключаются к входу малошумящего усилителя 6. Аналогичный абонентский приемопередатчик после калибровки находится в режиме «прием», в котором аналогичный блок 17 устанавливает по шине присущие данному устройству коды принимаемых частот ФМн или ЧТ сигнала в блоке 24, код тактовой частоты следования СШП импульсов в блоке 18 и код синхропосылки, в соответствии с принятым кодом адреса источника сообщения в формирователе СИП 19, коммутирует переключатель 3 прием/передача и переключатель 23. В этом режиме «прием» первый ПФ 21 подключен к выходу усилителя 20, второй ПФ 22 подключен к входу блока 24, а ШПФ 4 - к входу малошумящего усилителя 6. Принятый антенной 5 сложный сигнал в виде ФМн или ЧТ, СШП сигнала и помех разделяется ШПФ 4 и вторым ПФ 22. Выделенный ФМн или ЧТ сигнал усиливается блоком 24, преобразуется в цифровой сигнал АЦП 25 и обрабатывается вейвлет-фильтром 26. На выходе вейвлет-фильтра 26 выделяется короткий импульс с соотношением сигнал/помеха на 10÷12 дБ выше, чем на входе вейвлет-фильтра 26, соответствующий моменту изменения фазы ФМн сигнала.
Аналогичным образом выделяется фронт изменения частоты ЧТ сигнала.
Последовательность коротких видеоимпульсов поступает на вход декодера 28, который выделяет из этой последовательности код синхропосылки, код «1», код «0» в виде короткого видеоимпульса на его выходе для ФМн сигнала. Для ЧТ сигнала декодер 28 будет реагировать на фронт положительной и/или отрицательной видеопоследовательности ЧТ сигнала (фиг.6).
Кроме того, каждый короткий видеоимпульс с выхода вейвлет-фильтра 26 осуществляет синхронизацию последовательности выходных стробов блока 18, следующих с тактовой частотой, близкой к тактовой частоте входных СШП импульсов, смещенной на величину эффекта Доплера. Учитывая, что длительность временного окна в 2÷3 раза превышает длительность СШП импульса, то накопление ошибки из-за эффекта Доплера по смещению СШП импульса относительно центра временного окна на каждом относительно коротком по времени элементе СИП будет незначительно. Первый выход блока 18 стробирует временное окно канала сигнала в соответствующие моменты прихода импульса СШП сигнала. При попадании принятого и усиленного импульса СШП сигнала во временное окно канала сигнала пороговое устройство 10 сравнивает его уровень с пороговым напряжением, результат сравнения через буферное устройство 11 поступает на первый вход блока 17, где СШП сигнал обрабатывается. При повторном совпадении кодовой последовательности импульсов СШП сигнала с кодом синхронизации блок 17 определяет код адреса приемопередатчика источника сообщения. Этот блок устанавливает код, соответствующий адресу приемопередатчика источника сообщения в формирователе СИП 19, и коммутирует переключатель 3 прием/передача в состояние «передача». Усиленный ФМн или ЧТ сигнал формирователя СИП 19 поступает в антенну 5 и излучается в эфир. Одновременно с этим блок 17 абонента формирует код квитанции «синхронизм» совместно с кодовой последовательностью импульсов, соответствующей адресу источника сообщения. Импульсы квитанции «синхронизм» через буферное устройство 1 и устройство задержки 27 запускают генератор 2 и через переключатель 3 и ШПФ 4 возбуждают антенну 5, которая излучает данный СШП сигнал в эфир совместно с ФМн и ЧТ синхросигналом. Процесс передачи квитанции повторяется еще один раз и затем в абонентском блоке 17 коммутирует переключатель 3 прием/передача в состояние «прием», то есть антенна 5 и ШПФ 4 подключаются к входу малошумящего усилителя 6. Аналогичным образом, как и в абонентском приемопередатчике, принятые ФМн и ЧТ синхросигнал и СШП импульсы квитанции «синхронизм» принимаются, усиливаются, обрабатываются и выделяются в приемнике приемопередатчика источника сообщения. После двукратного выделения квитанции блок 17 разрешает передачу информации в виде кодовой последовательности СШП сигнала и ФМн или ЧТ сигнала.
Сигналы на входе и выходе вейвлет-фильтра 26 представлены на фиг.3, 4 - для ФМн-180 сигнала и на фиг.5, 6 - для ЧТ сигнала.
Время вхождения в синхронизм предлагаемой системы связи невелико, не зависит от скважности СШП импульсов и не превышает двух периодов следования синхросигнала Т: (2)
СИНХ
где τ - время вхождения в синхронизм;
Т - период синхросигнала.
СИНХ
Из формул (1), (2) следует, что время вхождения в синхронизм τпредлагаемой системы по длительности в 100-200 раз меньше, чем время вхождения в синхронизм системы связи-прототипа при одинаковых длительностях СШП импульса τ и периодах синхросигнала Т.
Предлагаемая система связи работает с временным разделением передачи и приема. Учитывая то, что блок 18 синхронизации временных окон синхронизируется за время не более двух элементов синхропосылки ФМн или ЧТ сигнала и в дальнейшем сохраняется условие синхронизации длительное время при стационарном размещении приемопередатчика, то можно прерывать излучение ФМн или ЧТ сигнала на оставшееся время приема СШП сообщения. Это позволит существенно уменьшить потребляемую энергию усилителем 20. ШПФ 4 и ПФ 21, 22, объединенные в триплексер, обеспечивают параллельную работу с заданной неравномерностью коэффициента передачи в полосе рабочих частот и заданный уровень развязки между выводами фильтров.
Цифровой вейвлет-фильтр 26 реализуется в ПЛИС серий FPGA - сверхбыстродействующем устройстве цифровой обработки сигналов. Для обработки изменяющегося во времени ФМн или ЧТ сигнала на входе вейвлет-фильтра 26 u(t) использована комплексная вейвлет-функция Морле (Morlet's wavelet) как наиболее подходящая для детектирования ФМн и ЧТ сигналов. Аналитическая запись этой функции определяется как произведение двух экспонент:
где w, z - параметры вейвлета.
С учетом параметров масштаба и сдвига:
где а - параметр масштаба, b - параметр сдвига.
Прямое интегральное вейвлет-преобразование сигналов выполняется по аналогии с преобразованием Фурье, но в качестве базы используется не синусоидальный сигнал, а вейвлет ψ(a,b,t):
где u(t) - исследуемый сигнал, ψ(a,b,t) - вейвлет Морле.
Так как форма базисных функций ψ(a,b,t) зафиксирована, то вся информация об исследуемом сигнале u(t) переносится на значения вейвлет-коэффициентов с(а,b), вейвлет-спектр коэффициентов вычисляется по формуле:
На практике значения коэффициентов вейвлет-преобразования в цифровом процессоре сигналов определяются с помощью быстрых алгоритмов вычисления вейвлет-коэффициентов ортогонального вейвлет-преобразования, которые каскадами повторяют дискретные свертки и осуществляют неполную выборку сигнала на выходе [Малла С. Вейвлеты в обработке сигналов: Пер. с англ. - М.: Мир, 2005. - с.276 - 303].
Триплексер может быть выполнен в соответствии с описанным в источнике информации [Алексеев О.В., Грошев Г.А. и др. «Многоканальные частотно - разделительные устройства и их применение», Москва, «Радио и связь», 1981 г., стр.64, рис.46].
Декодер 28 последовательности импульсов может быть выполнен в виде регистра сдвига, в котором состояние одного разряда последовательно сдвигается с тактовой частотой, и схем совпадения на N входов, которые подключены к соответствующим выходам регистра сдвига, совпадающих с кодом адреса, синхропосылки, информационного символа «1» и «0» [Энциклопедия «Автоматизация производства и промышленной электроники», 1964 г., том 1, стр.305, рис.а].
Реализация остальных блоков заявляемого устройства не вызывает затруднений, так как описание их подробно опубликовано в технической литературе.
По сравнению с прототипом предлагаемое устройство обладает следующими преимуществами.
Включение в общую часть приемопередатчика первого 21 и второго 22 полосовых фильтров, входящих в триплексер, переключателя полосовых фильтров 23 и включение в передающую часть приемопередатчика формирователя СИП 19, усилителя 20, устройства задержки сигнала 27, а так же включение в приемную часть приемопередатчика блока ВЧ с выходом на ПЧ 24, АЦП 25, вейвлет-фильтра 26 и декодера 28, а также выполнение блока 18 со вторым входом, служащим для установки его в начальное состояние, позволяет уменьшить в сто и более раз время поиска абонента и время вхождения системы в синхронизм, что улучшает качество синхронизации при работе с мобильными объектами.
Время вхождения системы в синхронизм (синхронизацию) не превышает двух периодов следования синхронизирующего сигнала. Так как условия синхронизма поддерживаются непрерывно во время сеанса связи, то высокое качество синхронизации сохраняется и при взаимных перемещениях объектов.