АППАРАТУРА РАДИОСВЯЗИ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМИ СОСТАВНЫМИ СИГНАЛАМИ

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к созданию аппаратуры для беспроводных локальных сетей.
Известна аппаратура для мобильной системы связи по патенту США №6400966 Н04М 001/00 "Base station architecture for a mobile communications system" (Архитектура базовой станции для мобильной системы связи), 2002 г., в которой образование параллельных каналов связи осуществляется по способу кодового разделения с использованием широкополосных шумоподобных сигналов. Этот вид сигналов обладает высокой помехоустойчивостью, обеспечивает связь при отношениях сигнал/шум намного меньших единицы [1, 2]. Существенным недостатком таких сигналов является низкая скорость передачи информации и большие удельные затраты полосы частот, что сужает область применения аппаратуры с широкополосными шумоподобными сигналами.
Известна, также, аппаратура радиосвязи по патенту США №6498939 Н04В 001/38 "Wireless network" (Беспроводная сеть), 2002 г., в которой для образования параллельных каналов связи используется способ пространственного разнесения с помощью управляемых направленных антенн. Предложенная сеть работает внутри помещений со стационарными абонентскими терминалами. Кроме того, к недостаткам такой аппаратуры можно отнести жесткие требования к изготовлению механических частей системы, что приводит к высокой стоимости аппаратуры в целом.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является аппаратура радиосвязи, представленная на рис.2 и 6 в патенте США №6515960 H04J 11/00 "Radio communication system" (Система радиосвязи), 2003 г., принятая за прототип.
Функциональная схема устройства-прототипа представлена на фиг.1а и 1б.
На фиг.1а представлена схема управляющего радиотерминала (УРТ), где введены следующие обозначения:
1 - блок управления связью управляющего радиотерминала (УРТ) [соответствует элементу 11 на рис.2 описания патента];
2 - первый последовательно-параллельный преобразователь УРТ [соответствует элементу 13];
7 - генератор М-последовательности [соответствует элементу 31];
8 - первый коммутатор УРТ [соответствует элементу 16];
9 - блок преобразования частоты УРТ [соответствует элементу 17];
10 - синтезатор частот с фазовой автоподстройкой УРТ [соответствует элементу 18];
11 - усилитель мощности УРТ [соответствует элементу 19];
12 - второй коммутатор УРТ [соответствует элементу 20];
13 - антенна УРТ [соответствует элементу 21];
14 - малошумящий усилитель УРТ [соответствует элементу 22];
15 - блок преобразования на промежуточную частоту УРТ [соответствует элементу 23];
19 - второй последовательно-параллельный преобразователь УРТ [соответствует элементу 24];
24 - управляющий блок УРТ [соответствует элементу 28];
25 - таймер УРТ [соответствует элементу 29];
26 - блок памяти [соответствует элементу 30];
51 - модулятор дифференциальной квадратурной фазовой манипуляции (ДКФМн) УРТ [соответствует элементу 12];
52-блок обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ) УРТ [соответствует элементу 14];
53 - первый параллельно-последовательный преобразователь УРТ [соответствует элементу 15];
54 - блок быстрого преобразования Фурье (БПФ) УРТ [соответствует элементу 25];
55 - второй параллельно-последовательный преобразователь УРТ [соответствует элементу 26];
56 - демодулятор ДКФМн УРТ [соответствует элементу 27].
На фиг.1б представлена схема абонентского радиотерминала (APT), где введены следующие обозначения:
27 - блок управления связью абонентского радиотерминала (APT) [соответствует элементу 51 на рис.6 описания патента];
28 - первый последовательно-параллельный преобразователь APT [соответствует элементу 53];
33 - блок преобразования частоты APT [соответствует элементу 57];
34 - синтезатор частот с фазовой автоподстройкой APT [соответствует элементу 58];
35 - усилитель мощности APT [соответствует элементу 59];
36 - коммутатор APT [соответствует элементу 60];
37 - антенна APT [соответствует элементу 21];
38 - малошумящий усилитель APT [соответствует элементу 62];
39 - блок преобразования на промежуточную частоту APT [соответствует элементу 63];
43 - второй последовательно-параллельный преобразователь APT [соответствует элементу 64];
48 - управляющий блок APT [соответствует элементу 68];
49 - блок корреляционного детектирования [соответствует элементу 71];
50 - таймер APT [соответствует элементу 72];
57 - модулятор дифференциальной квадратурной фазовой манипуляции (ДКФМн) APT [соответствует элементу 52];
58 - блок обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ) APT [соответствует элементу 54];
59 - первый параллельно-последовательный преобразователь APT [соответствует элементу 55];
60 - блок быстрого преобразования Фурье (БПФ) APT [соответствует элементу 65];
61 - второй параллельно-последовательный преобразователь APT [соответствует элементу 66];
62 - демодулятор ДКФМн APT [соответствует элементу 67].
Устройство-прототип содержит управляющий радиотерминал (УРТ) и, по меньшей мере, один абонентский радиотерминал (APT).
При этом вход управляющего радиотерминала является первым входом блока управления связью УРТ 1, первый выход которого через последовательно соединенные модулятор дифференциальной квадратурной фазовой манипуляции УРТ 51, первый последовательно-параллельный преобразователь УРТ 2, блок обратного быстрого преобразования Фурье УРТ 52 и первый параллельно-последовательный преобразователь УРТ 53 соединен с первым входом первого коммутатора УРТ 8, второй вход которого соединен с выходом генератора М-последовательности 7, выход первого коммутатора УРТ 8 через последовательно соединенные блок преобразования частоты УРТ 9 и усилитель мощности УРТ 11 соединен с сигнальным входом второго коммутатора УРТ 12, вход-выход которого соединен с антенной УРТ 13, а сигнальный выход второго коммутатора УРТ 12 через последовательно соединенные малошумящий усилитель УРТ 14, блок преобразования на промежуточную частоту УРТ 15, второй последовательно-параллельный преобразователь УРТ 19, блок быстрого преобразования Фурье УРТ 54, второй параллельно-последовательный преобразователь УРТ 55 и демодулятор дифференциальной квадратурной фазовой манипуляции УРТ 56 соединен со вторым входом блока управления связью УРТ 1, управляющий вход-выход которого соединен с первым входом-выходом управляющего блока УРТ 24, второй вход-выход которого соединен с входом-выходом блока памяти 26; с первого по пятый одиночные
выходы управляющего блока УРТ 24 соединены соответственно с управляющими входами блока обратного быстрого преобразования Фурье УРТ 52, блока быстрого преобразования Фурье УРТ 54, первого коммутатора УРТ 8, второго коммутатора УРТ 12 и синтезатора частот с фазовой автоподстройкой УРТ 10, первый и второй выходы которого соединены соответственно со вторыми входами блока преобразования частоты УРТ 9 и блока преобразования на промежуточную частоту УРТ 15, а одиночный вход управляющего блока УРТ 24 соединен с выходом таймера УРТ 25, второй выход блока управления связью УРТ 1 является выходом управляющего радиотерминала.
Вход абонентского радиотерминала (APT) является первым входом блока управления связью APT 27, первый выход которого через последовательно соединенные модулятор ДКФМн APT 57, первый последовательно-параллельный преобразователь APT 28, блок ОБПФ APT 58, первый параллельно-последовательный преобразователь APT 59, блок преобразования частоты APT 33 и усилитель мощности APT 35 соединен с сигнальным входом коммутатора APT 36, вход-выход которого соединен с антенной APT 37, а сигнальный выход коммутатора APT 36 через последовательно соединенные малошумящий усилитель APT 38, блок преобразования на промежуточную частоту APT 39, второй последовательно-параллельный преобразователь APT 43, блок БПФ APT 60, второй параллельно-последовательный преобразователь APT 61 и демодулятор ДКФМн APT 62 соединен со вторым входом блока управления связью APT 27, управляющий вход-выход которого соединен с входом-выходом управляющего блока APT 48, с первого по четвертый выходы которого соединены соответственно с управляющими входами блока ОБПФ APT 58, блока БПФ APT 60, коммутатора APT 36 и синтезатора частот с фазовой автоподстройкой APT 34, первый и второй выходы которого соединены соответственно со вторыми входами блока преобразования частоты APT 33 и блока преобразования на промежуточную частоту APT 39,
выход которого через последовательно соединенные блок корреляционного детектирования 49 и таймер APT 50 подключен к одиночному входу управляющего блока APT 48, второй выход блока управления связью APT 27 является выходом абонентского радиотерминала.
Следует заметить, что в отличие от изображения на рис.2 описания патента-прототипа, на фиг.1а связи между блоками 2 и 52, 52 и 53, 19 и 54, 54 и 55 показаны в виде шин, поскольку в описании патента говорится о параллельной передаче данных между упомянутыми блоками. По этой же причине на фиг.16 связи между блоками 28 и 58, 58 и 59, 43 и 60, 60 и 61 также показаны в виде шин.
Устройство-прототип работает следующим образом.
Управляющий радиотерминал (УРТ) и один или несколько абонентских радиотерминалов (APT) объединяют в сеть для обмена данными. В этой сети используется способ множественного доступа с временным разделением (МДВР). Управление распределением временных интервалов абонентским радиотерминалам осуществляет УРТ, который передает в начале временного кадра кодовую последовательность для синхронизации APT. В основной реализации устройства-прототипа в качестве кодовой последовательности предлагается использовать М-последовательность. Каждый из APT принимает код М-последовательности и соответственно синхронизирует работу своих блоков относительно принятой М-последовательности. После установления синхронизации APT передают запросы на передачу. УРТ принимает эти запросы и распределяет каждому APT временные интервалы в соответствии с принятыми запросами и данными о распределении, хранящимися в памяти УРТ.
Передача сигналов между радиотерминалами производится с использованием дифференциальной квадратурной фазовой манипуляции (ДКФМн) и сигнально-кодовой конструкции, которая в переводе может быть названа ортогональным частотным мультиплексированием ОЧМ (OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing).
Поток данных для передачи, поступающий на вход управляющего радиотерминала (УРТ), через блок управления связью УРТ 1 подается на вход модулятора ДКФМн УРТ 51, в котором выполняется модуляция сигнала по закону дифференциальной квадратурной фазовой манипуляции. Последовательный поток модулированных данных в первом последовательно-параллельном преобразователе УРТ 2 перестраивается в параллельные блоки и выдается в блок ОБПФ УРТ 52, в котором выполняется отображение данных для передачи в частотную область и обратное быстрое преобразование Фурье для перевода данных из частотного представления во временной сигнал. Отсчеты временного сигнала из блока ОБПФ УРТ 52 преобразуются в последовательный поток в первом параллельно-последовательном преобразователе УРТ 53 и поступают на первый вход первого коммутатора УРТ 8. Сигнал с выхода первого коммутатора УРТ 8 поступает в блок преобразования частоты УРТ 9, где он переносится на несущую частоту, и через усилитель мощности УРТ 11 и второй коммутатор УРТ 12 поступает в антенну УРТ 13.
Преобразования сигнала в блоках 2, 52 и 53 представляют собой формирование сигнала ОЧМ.
Для обеспечения синхронизации абонентских радиотерминалов управляющий терминал осуществляет передачу сигнала временными кадрами. В начале каждого кадра по команде из управляющего блока УРТ 24 первый коммутатор УРТ 8 подключается к выходу генератора М-последовательности 7, тем самым вставляя в информационный сигнал М-последовательность для синхронизации абонентских терминалов.
Переключение второго коммутатора УРТ 12 в режим приема происходит по команде из управляющего блока УРТ 24. При этом антенна УРТ 13 через второй коммутатор УРТ 12 подключается ко входу малошумящего усилителя УРТ 14. Принимаемый сигнал с выхода малошумящего усилителя УРТ 14 проходит блок преобразования на промежуточную частоту УРТ 15. Затем во втором последовательно-
0
параллельном преобразователе УРТ 19 непрерывный сигнал тактируется с частотой дискретизации f и параллельными блоками отсчетов подается на группу входов блока БПФ УРТ 54. В блоке БПФ УРТ 54 происходит преобразование отсчетов временного сигнала в частотную область. Частотные отсчеты из блока БПФ УРТ 54 перестраиваются в последовательный поток с помощью второго параллельно-последовательного преобразователя УРТ 55. Преобразования сигнала в блоках 19, 54 и 55 представляют собой демодуляцию ОЧМ. Далее отсчеты демодулируются в демодуляторе ДКФМн УРТ 56 и в виде принятых данных информации через блок управления связью УРТ 1 поступают на выход управляющего радиотерминала. Блок управления связью УРТ 1 в режиме передачи вставляет в поток передаваемых данных служебную информацию, поступающую из управляющего блока УРТ 24. В режиме приема блок управления связью УРТ 1 выделяет из общего потока принимаемой информации служебную информацию и направляет ее в управляющий блок УРТ 24 для дальнейшей обработки. Управляющий блок УРТ 24 обеспечивает управление блоками ОБПФ УРТ 52 и БПФ УРТ 54, переключение первого 8 и второго 12 коммутаторов УРТ, а также взаимодействие с блоком управления связью УРТ 1 и базой данных о ресурсах сети, которая сохраняется в блоке памяти 26.
Преобразования сигналов в абонентском радиотерминале (APT) происходят аналогично, за исключением того, что APT должен синхронизироваться с управляющим радиотерминалом. Для установления синхронизации в APT служит блок корреляционного детектирования 49. Принимаемый сигнал из антенны APT 37 через малошумящий усилитель APT 38 и блок преобразования на промежуточную частоту APT 39 подается на вход блока корреляционного детектирования 49. Блок корреляционного детектирования 49 может быть выполнен в виде согласованного фильтра, настроенного на обработку М-последовательности, передаваемой управляющим радиотерминалом. При обнаружении М-последовательности
0
импульс свертки с выхода блока корреляционного детектирования 49 служит для установки таймера APT 50, и относительно этого импульса отсчитываются интервалы времени, когда абонентским радиотерминалам разрешается передавать и принимать сигналы в соответствии с распределением ресурса в сети. Из блока 39 принимаемый сигнал подается также на вход второго последовательно-параллельного преобразователя APT 43, в котором непрерывный сигнал тактируется с частотой дискретизации f и параллельными блоками отсчетов подается на группу входов блока БПФ APT 60. Управляющий блок APT 48 синхронизирует работу блока БПФ APT 60 в соответствии с сигналом из таймера APT 50. В блоке 60 производится преобразование временных отсчетов принимаемого сигнала в частотную область. Частотные отсчеты перестраиваются во втором параллельно-последовательном преобразователе APT 61 и после демодуляции в демодуляторе ДКФМн APT 62 выдаются в виде последовательности принятых данных в блок управления связью APT 27. В блоке 27 из общего потока данных выделяется собственно информация, которая выдается на выход APT, и служебная информация, которая выдается в управляющий блок APT 48 для дальнейшей обработки.
Распределение ресурса сети между абонентскими радиотерминалами осуществляет управляющий радиотерминал. Управляющий радиотерминал устанавливает структуру временного кадра, передавая в начале кадра сигнал М-последовательности, по которому синхронизируются все абонентские радиотерминалы, затем управляющий радиотерминал принимает от абонентских радиотерминалов запросы на передачу в специально отведенном для этого интервале временного кадра. Эта служебная информация выделяется из общего принимаемого потока информации в блоке управления связью УРТ 1 и поступает для дальнейшей обработки в управляющий блок УРТ 24. В управляющем блоке УРТ 24 с использованием данных о ресурсе сети, хранящихся в блоке памяти 26 производится распределение ресурса абонентским радиотерминалам, от которых получены запросы на передачу.
Обновленное распределение ресурса сохраняется в блоке памяти 26 и направляется в блок управления связью 1 для включения этой служебной информации в передаваемый управляющим радиотерминалом сигнал. Абонентский радиотерминал выделяет из принимаемого сигнала служебную информацию о распределении ресурса в блоке управления связью APT 27, из которого информация об интервалах времени, когда данному абонентскому терминалу разрешено передавать и принимать информацию, поступает в управляющий блок APT 48. Блок корреляционного детектирования 39 вырабатывает сигнал для установки таймера APT 50. Этот сигнал является началом отсчета временных интервалов в кадре. По результатам сравнения состояния таймера и данных о распределении ресурса из блока управления связью 22 управляющий блок APT 48 формирует команды управления блоком ОБПФ APT 58, блоком БПФ APT 60 и переключает коммутатор APT 36, обеспечивая подключение антенны APT 37 к выходу усилителя мощности APT 35 или ко входу малошумящего усилителя APT 38.
Передача информации между описанными радиотерминалами производится с использованием ортогонального частотного мультиплексирования (ОЧМ). Сигнал ОЧМ, формируемый блоками 2, 52 и 53 (а также аналогичными блоками 28, 58 и 59) представляет собой сумму нескольких гармонических поднесущих, отличающихся по частоте на Δf, где 2Δf - ширина спектра (расстояние между первыми нулями спектра) каждой поднесущей. При этом максимум спектра каждой поднесущей располагается точно в нулях спектров остальных поднесущих, то есть, такие поднесущие ортогональны между собой и, несмотря на частичное взаимное наложение своих спектров, они могут быть разделены на приемной стороне.
Сигналы ОЧМ (OFDM) позволяют передавать информацию со скоростями, приближающимися к пределу Шеннона [5]. Однако, как следует из упомянутой теоремы Шеннона, для реализации высокой скорости передачи информации требуется, чтобы отношение мощности сигнала к
мощности шумов в полосе приемника было намного больше единицы, что в реальных условиях связано с неприемлемо большими затратами.
Недостатком устройства-прототипа является низкая помехоустойчивость используемых сигналов, что существенно ограничивает радиус действия радиотерминалов, приводит к необходимости более плотного распределения аппаратуры по обслуживаемой территории и, следовательно, большим затратам на построение сетей связи на базе данной аппаратуры,
Для устранения указанного недостатка в аппаратуру радиосвязи, содержащую управляющий радиотерминал (УРТ) и, по меньшей мере, один абонентский радиотерминал (APT), в управляющем радиотерминале содержащую блок управления связью УРТ, первый вход и второй выход которого являются соответственно входом и выходом УРТ, первый и второй последовательно-параллельные преобразователи УРТ, последовательно соединенные генератор М-последовательности, первый коммутатор УРТ, блок преобразования частоты УРТ, усилитель мощности УРТ и второй коммутатор УРТ, вход-выход которого соединен с антенной УРТ, последовательно соединенные малошумящий усилитель УРТ и первый блок преобразования на промежуточную частоту УРТ, а также управляющий блок УРТ, первый вход-выход которого соединен с входом-выходом блока управления связью, блок памяти, вход-выход которого соединен со вторым входом-выходом управляющего блока, таймер УРТ, выход которого соединен с одиночным входом управляющего блока УРТ, синтезатор частот с фазовой автоподстройкой УРТ, первый и второй выходы которого соединены соответственно со вторыми входами блока преобразования частоты УРТ и первого блока преобразования на промежуточную частоту УРТ, а управляющий вход - с пятым одиночным выходом управляющего блока УРТ, третий и четвертый одиночные выходы которого соединены соответственно с управляющими входами первого и второго коммутаторов УРТ, сигнальный выход второго коммутатора УРТ соединен со входом
малошумящего усилителя УРТ; в абонентском радиотерминале содержащую блок управления связью APT, первый вход и второй выход которого являются соответственно входом и выходом APT, первый и второй последовательно-параллельные преобразователи APT, последовательно соединенные блок преобразования частоты APT, усилитель мощности APT и коммутатор APT, вход-выход которого соединен с антенной APT, последовательно соединенные малошумящий усилитель APT, первый блок преобразования на промежуточную частоту APT, блок корреляционного детектирования, таймер APT и управляющий блок APT, вход-выход которого соединен со входом-выходом блока управления связью APT, а также синтезатор частот с фазовой автоподстройкой APT, первый и второй выходы которого соединены соответственно со вторыми входами блока преобразования частоты APT и первого блока преобразования на промежуточную частоту APT, а управляющий вход - с четвертым одиночным выходом управляющего блока APT, третий одиночный выход которого соединен с управляющим входом коммутатора APT, сигнальный выход которого соединен со входом малошумящего усилителя APT, согласно изобретению, в управляющий радиотерминал введены модулятор дифференциальной фазовой манипуляции УРТ, блок выделения знака УРТ, последовательно соединенные шиной первый генератор функций Уолша УРТ, первый перемножитель УРТ и первый сумматор УРТ, последовательно соединенные шиной второй генератор функций Уолша УРТ, второй перемножитель УРТ и второй сумматор УРТ, последовательно соединенные фазовращатель УРТ, второй блок преобразования на промежуточную частоту УРТ и демодулятор дифференциальной фазовой манипуляции УРТ, при этом первый выход блока управления связью УРТ соединен с входом первого последовательно-параллельного преобразователя УРТ, группа выходов которого шиной соединена с первой группой входов первого перемножителя УРТ, выход первого сумматора УРТ через модулятор дифференциальной фазовой манипуляции УРТ соединен с первым входом первого коммутатора
УРТ, первый вход второго блока преобразования на промежуточную частоту УРТ соединен с первым входом первого блока преобразования на промежуточную частоту УРТ, второй вход которого соединен с входом фазовращателя УРТ, а выход - с первым входом демодулятора дифференциальной фазовой манипуляции УРТ, выход которого соединен с входом второго последовательно-параллельного преобразователя УРТ, группа выходов которого шиной соединена с первой группой входов второго перемножителя УРТ, выход второго сумматора УРТ через блок выделения знака УРТ соединен со вторым входом блока управления связью УРТ, первый и второй одиночные выходы управляющего блока УРТ соединены соответственно с управляющими входами первого и второго генераторов функций Уолша УРТ; в абонентский радиотерминал введены модулятор дифференциальной фазовой манипуляции APT, блок выделения знака APT, последовательно соединенные шиной первый генератор функций Уолша APT, первый перемножитель APT и первый сумматор APT, последовательно соединенные шиной второй генератор функций Уолша APT, второй перемножитель APT и второй сумматор APT, последовательно соединенные фазовращатель APT, второй блок преобразования на промежуточную частоту APT и демодулятор дифференциальной фазовой манипуляции APT, при этом первый выход блока управления связью APT соединен с входом первого последовательно-параллельного преобразователя APT, группа выходов которого шиной соединена с первой группой входов первого перемножителя APT, выход первого сумматора APT через модулятор дифференциальной фазовой манипуляции APT соединен с первым входом блока преобразования частоты APT, первый вход второго блока преобразования на промежуточную частоту APT соединен с первым входом первого блока преобразования на промежуточную частоту APT, второй вход которого соединен с входом фазовращателя APT, а выход - с первым входом демодулятора дифференциальной фазовой манипуляции APT, выход которого соединен со входом второго последовательно-параллельного преобразователя APT,
группа выходов которого шиной соединена с первой группой входов второго перемножителя APT, выход второго сумматора APT через блок выделения знака APT соединен со вторым входом блока управления связью APT, первый и второй одиночные выходы управляющего блока APT соединены соответственно с управляющими входами первого и второго генераторов функций Уолша APT.
Функциональная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.2а и 2б.
На фиг.2а представлена функциональная схема управляющего радиотермиинала (УРТ), где введены следующие обозначения:
1 - блок управления связью управляющего радиотерминала (УРТ);
2 - первый последовательно-параллельный преобразователь УРТ;
3 - первый перемножитель УРТ;
4 - первый генератор функций Уолша УРТ;
5 - первый сумматор УРТ;
6 - модулятор дифференциальной фазовой манипуляции (ДФМн) УРТ;
7 - генератор М-последовательности;
8 - первый коммутатор УРТ;
9 - блок преобразования частоты УРТ;
10 - синтезатор частот с фазовой автоподстройкой УРТ;
11 - усилитель мощности УРТ;
12 - второй коммутатор УРТ;
13 - антенна УРТ;
14 - малошумящий усилитель УРТ;
15 - первый блок преобразования на промежуточную частоту УРТ;
16 - фазовращатель УРТ;
17 - второй блок преобразования на промежуточную частоту УРТ;
18 - демодулятор ДФМн УРТ;
19 - второй последовательно-параллельный преобразователь УРТ;
20 - второй перемножитель УРТ;
21 - второй генератор функций Уолша УРТ;
22 - второй сумматор УРТ;
23 - блок выделения знака УРТ;
24 - управляющий блок УРТ;
25 - таймер УРТ;
26 - блок памяти;
На фиг.2б представлена функциональная схема абонентского радиотерминала (APT), где введены следующие обозначения:
27 - блок   управления связью абонентского радиотерминала (APT);
28 - первый последовательно-параллельный преобразователь APT;
29 - первый перемножитель APT;
30 - первый генератор функций Уолша APT;
31 - первый сумматор APT;
32 - модулятор (ДФМн) APT;
33 - блок преобразования частоты APT;
34 - синтезатор частот с фазовой автоподстройкой APT;
35 - усилитель мощности APT;
36 - коммутатор APT;
37 - антенна APT;
38 - малошумящий усилитель APT;
39 - первый блок преобразования на промежуточную частоту APT;
40 - фазовращатель APT;
41 - второй блок преобразования на промежуточную частоту APT;
42 - демодулятор ДФМн APT;
43 - второй последовательно-параллельный преобразователь APT;
44 - второй перемножитель APT;
45 - второй генератор функций Уолша APT;
46 - второй сумматор APT;
47 - блок выделения знака APT;
48 - управляющий блок APT;
49 - блок корреляционного детектирования;
50 - таймер APT.
Предлагаемое устройство содержит управляющий радиотерминал (УРТ) и, по меньшей мере, один абонентский радиотерминал (APT).
УРТ (фиг.2а) содержит блок управления связью УРТ 1, первый вход которого является низкочастотным входом УРТ, а первый выход - соединен с входом первого последовательно-параллельного преобразователя УРТ 2, группа выходов которого шиной соединена с первой группой входов первого перемножителя УРТ 3, группа выходов которого шиной соединена с группой входов первого сумматора УРТ 5, выход которого через последовательно соединенные модулятор ДФМн УРТ 6, первый коммутатор УРТ 8, блок преобразования частоты УРТ 9 и усилитель мощности УРТ 11 соединен с сигнальным входом второго коммутатора УРТ 12, вход-выход которого соединен с антенной УРТ 13, а сигнальный выход второго коммутатора УРТ 12 через последовательно соединенные малошумящий усилитель УРТ 14, первый блок преобразования на промежуточную частоту УРТ 15 и демодулятор ДФМн УРТ 18 соединен с входом второго последовательно-параллельного преобразователя УРТ 19, группа выходов которого шиной соединена с первой группой входов второго перемножителя УРТ 20, группа выходов которого шиной соединена с группой входов второго сумматора УРТ 22, выход которого через блок выделения знака УРТ 23 соединен со вторым входом блока управления связью УРТ 1, управляющий вход-выход которого соединен с первым входом-выходом управляющего блока УРТ 24, второй вход-выход которого соединен с входом-выходом блока памяти 26; первый и второй одиночные выходы управляющего блока УРТ 24 соединены соответственно с управляющими входами первого 4 и второго 21 генераторов функций Уолша УРТ, группы выходов которых соединены соответственно со вторыми группами входов первого 3 и второго 20 перемножителей УРТ, третий и четвертый одиночные выходы управляющего блока УРТ 24 соединены соответственно с управляющими входами первого 8
и второго 12 коммутаторов УРТ, пятый одиночный выход управляющего блока УРТ 24 соединен с управляющим входом синтезатора частот с фазовой автоподстройкой УРТ 10, первый выход которого соединен со вторым входом блока преобразования частоты УРТ 9, а второй выход синтезатора частот с фазовой автоподстройкой УРТ 10 соединен со вторым входом первого блока преобразования на промежуточную частоту УРТ 15 и через последовательно соединенные фазовращатель УРТ 16 и второй блок преобразования на промежуточную частоту УРТ 17 - со вторым входом демодулятора ДФМн УРТ 18, одиночный вход управляющего блока УРТ 24 соединен с выходом таймера УРТ 25, второй вход первого коммутатора УРТ 8 соединен с выходом генератора М-последовательности 7, первый вход второго блока преобразования на промежуточную частоту УРТ 17 соединен с выходом малошумящего усилителя УРТ 14, второй выход блока управления связью УРТ 1 является выходом УРТ.
APT (фиг.2б) содержит блок управления связью APT 27, первый вход которого является входом APT, а первый выход - соединен с входом первого последовательно-параллельного преобразователя APT 28, группа выходов которого шиной соединена с первой группой входов первого перемножителя APT 29, группа выходов которого шиной соединена с группой входов первого сумматора APT 31, выход которого через последовательно соединенные модулятор ДФМн APT 32, блок преобразования частоты APT 33 и усилитель мощности APT 35 соединен с сигнальным входом коммутатора APT 36, вход-выход которого соединен с антенной APT 37, а сигнальный выход коммутатора APT 36 через последовательно соединенные малошумящий усилитель APT 38, первый блок преобразования на промежуточную частоту APT 39 и демодулятор ДФМн APT 42 соединен с входом второго последовательно-параллельного преобразователя APT 43, группа выходов которого шиной соединена с первой группой входов второго перемножителя APT 44, группа выходов которого шиной соединена с группой входов второго сумматора APT 46, выход которого через блок
выделения знака APT 47 соединен со вторым входом блока управления связью APT 27,  управляющий вход-выход которого соединен со входом-выходом управляющего блока APT 48, первый и второй одиночные выходы которого соединены соответственно с управляющими входами первого 30 и второго 45 генераторов функций Уолша APT, группы выходов которых шинами соединены соответственно со вторыми группами входов первого 29 и второго 44 перемножителей APT, третий одиночный выход управляющего блока APT 48 соединен с управляющим входом коммутатора APT 36, четвертый одиночный выход управляющего блока APT 48 соединен с управляющим входом синтезатора частот с фазовой автоподстройкой APT 34, первый выход которого соединен со вторым входом блока преобразования частоты APT 33, а второй выход синтезатора частот с фазовой автоподстройкой APT 34 соединен со вторым входом первого блока преобразования на промежуточную частоту APT 39 и через последовательно соединенные фазовращатель APT 40 и второй блок преобразования на промежуточную частоту APT 41 - со вторым входом демодулятора ДФМн APT 42, кроме того, выход первого блока преобразования на промежуточную частоту APT 39 через последовательно соединенные блок корреляционного детектирования 49 и таймер APT 50 соединен с одиночным входом управляющего блока APT 48, первый вход второго блока преобразования на промежуточную частоту APT 41 соединен с выходом малошумящего усилителя APT 38, второй выход блока управления связью APT 27 является выходом APT.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Управляющий радиотерминал (УРТ) и один или несколько абонентских радиотерминалов (APT) объединяют в сеть для обмена данными. В этой сети используется способ множественного доступа с временным разделением (МДВР). Управление распределением временных интервалов абонентским радиотерминалам осуществляет УРТ, который передает в начале временного кадра кодовую последовательность для
синхронизации APT. В качестве кодовой последовательности для синхронизации APT можно использовать, например, М-последовательность. Каждый из APT принимает код М-последовательности и синхронизирует соответственно работу своих блоков относительно принятой М-последовательности. После установления синхронизации APT передают запросы на передачу. УРТ принимает эти запросы и распределяет каждому APT временные интервалы в соответствии с принятыми запросами и данными о распределении, хранящимися в памяти УРТ.
Передача сигналов между радиотерминалами производится с использованием сигнально-кодовой конструкции, которая в отечественных источниках [6] называется «параллельными составными сигналами», а разработчики стандарта IEEE 802.11 через 20 лет после отечественных публикаций предложили использовать по сути такие же сигналы под названием «ортогональное кодовое мультиплексирование», ОКМ (OCDM -Orthogonal Frequency Division Multiplexing) [8].
Сигнально-кодовая конструкция ОЧМ (OFDM), применяемая в прототипе, и ОКМ (OCDM), применяемая в предлагаемой аппаратуре, похожи тем, что N бит информации передается одновременно (параллельно) на нескольких ортогональных поднесущих. Но при ОЧМ в качестве поднесущих используются отрезки гармонического колебания, а при ОКМ ортогональными поднесущими являются функции Уолша, корреляционные свойства которых позволяют повысить помехоустойчивость радиосвязи в предлагаемом устройстве.
Поток данных для передачи, поступающий на вход управляющего радиотерминала (УРТ), через блок управления связью УРТ 1 подается на вход первого последовательно-параллельного преобразователя УРТ 2, в котором последовательный поток данных перестраивается в параллельные блоки по N бит и выдается на первую группу входов первого перемножителя УРТ 3, на вторую группу входов которого поступают сигналы из первого генератора функций Уолша УРТ 4. При этом временные параметры сигналов
0
0
0
0
подобраны следующим образом. N бит данных для передачи поступают на вход первого последовательно-параллельного преобразователя УРТ 2 с тактовой частотой f. На каждом из N выходов группы выходов первого последовательно-параллельного преобразователя УРТ 2 соответствующий бит данных присутствует в течение N тактов частоты дискретизации, т.е. интервала времени N/f. Этот интервал времени N/f равен периоду функций Уолша, элементарные символы которых подаются на соответствующие входы второй группы входов первого перемножителя УРТ 3 с тактовой частотой f. Длина каждой из N функций Уолша равна N - числу выходов в группе выходов первого последовательно-параллельного преобразователя УРТ 2. (На фиг.3 приведены временные диаграммы формирования параллельных составных сигналов для случая N=8.)
0
В результате перемножения функций Уолша на соответствующие биты данных на группу входов первого сумматора УРТ 5 поступают N функций Уолша прямой или инверсной полярности. В первом сумматоре УРТ 5 производится поэлементное сложение входных сигналов, в результате чего формируется ступенчатый многоуровневый сигнал с тактовой частотой f. Причем, вследствие математических свойств функций Уолша, полученный в результате суммирования сигнал может принимать только четные значения от минус N до N, то есть, число возможных значений суммарного сигнала равно (N+1).
Сигнал с выхода первого сумматора УРТ 5 поступает на вход модулятора дифференциальной фазовой манипуляции (ДФМн) УРТ 6. Это может быть М-фазный модулятор, где М≤N, поскольку сигналы ОКМ допускают ограничение.
Сигнал с выхода модулятора ДФМн УРТ 6 поступает на первый вход первого коммутатора УРТ 8, с выхода которого сигнал поступает в блок преобразования частоты УРТ 9, где он переносится на несущую частоту, затем усиливается в усилителе мощности УРТ 11 и через второй коммутатор УРТ 12 поступает в антенну УРТ 13.
1
N
Преобразования сигнала в блоках 2, 3, 5 с помощью блока 4 представляют собой формирование параллельного составного сигнала, или ОКМ (OCDM). Аналитически этот процесс можно представить в виде умножения вектора двоичных данных I на матрицу Уолша W, где элементы результирующего вектора S=(S,..., S) определяются выражением:
,
где k=1,..., N - индекс элемента вектора.
Для обеспечения синхронизации абонентских радиотерминалов управляющий радиотерминал осуществляет передачу сигнала временными кадрами. В начале каждого кадра по команде из управляющего блока УРТ 24 первый коммутатор УРТ 8 подключается к выходу генератора М-последовательности 7, тем самым вставляя в информационный сигнал М-последовательность для синхронизации абонентских радиотерминалов.
Переключение второго коммутатора УРТ 12 в режим приема происходит по команде из управляющего блока УРТ 24. При этом антенна УРТ 13 через второй коммутатор УРТ 12 подключается ко входу малошумящего усилителя УРТ 14. Принимаемый сигнал с выхода малошумящего усилителя УРТ 14 поступает на первые входы первого 15 и второго 17 блоков преобразования на промежуточную частоту УРТ. При этом на второй вход блока 15 поступает сигнал со второго выхода синтезатора частот с фазовой автоподстройкой УРТ 10, который со сдвигом фазы на 90° в фазовращателе УРТ 16 подается на второй вход второго блока преобразования на промежуточную частоту 17. Квадратурные составляющие принимаемого сигнала на промежуточной частоте с выходов первого 15 и второго 17 блоков преобразования на промежуточную частоту УРТ поступают соответственно на первый и второй входы демодулятора ДФМн УРТ 18, с выхода которого демодулированный сигнал поступает во второй последовательно-параллельный преобразователь УРТ 19. Во втором последовательно-параллельном преобразователе УРТ 19 непрерывный
0
сигнал тактируется с частотой дискретизации f и параллельными блоками отсчетов подается на первую группу входов второго перемножителя УРТ 20, на вторую группу входов которого поступают сигналы из второго генератора функций Уолша 21.
Преобразования сигнала в блоках 19, 20, 22 с помощью блока 21 тождественны работе блоков 2, 3, 4 и 5 в передающей части УРТ. Аналитически это выражается умножением вектора отсчетов принимаемого сигнала Х на матрицу Уолша W:Y=X*W. (Символ * обозначает матричное умножение.) Поскольку вектор Х является произведением вектора данных I на матрицу W (X=S=I*W в отсутствие искажений и помех), то результат преобразований в блоках 19, 20, 22 и 21 равен Y=I*W*W. При возведении в квадрат матрицы Уолша получается матрица, у которой все элементы кроме главной диагонали равны нулю, а элементы главной диагонали равны N.
Следовательно, элементы результирующего вектора Y с точностью до постоянного коэффициента равны элементам вектора данных I. Поэтому далее сигнал с выхода второго сумматора УРТ 22 поступает в блок выделения знака УРТ 23, где выделяется знаковый разряд (т.е., старший разряд многоразрядного числа, который и является носителем информации), и принимаемые данные в двоичном виде поступают на второй вход блока управления связью УРТ 1.
Блок управления связью УРТ 1 в режиме передачи вставляет в поток передаваемых данных служебную информацию, поступающую из управляющего блока УРТ 24. В режиме приема блок управления связью УРТ 1 выделяет из общего потока принимаемой информации служебную информацию и направляет ее в управляющий блок УРТ 24 для дальнейшей обработки.
Кроме того, управляющий блок УРТ 24 обеспечивает управление первым 4 и вторым 21 генераторами функций Уолша УРТ (в устройстве-прототипе эти команды определяли временные границы символов ОЧМ, а в предлагаемом устройстве - временные границы функций Уолша), переключение первого 8 и второго 12 коммутаторов УРТ (как в устройстве-прототипе), а также взаимодействие с блоком управления связью УРТ 1 и базой данных о ресурсах сети, которая сохраняется в блоке памяти 26 (как в устройстве-прототипе).
Преобразования сигналов в абонентском радиотерминале (APT) происходят аналогично, за исключением того, что APT должен синхронизироваться с управляющим радиотерминалом. Для установления синхронизации в APT служит блок корреляционного детектирования 49. Принимаемый сигнал из антенны APT 37 через малошумящий усилитель APT 38 и блок преобразования на промежуточную частоту APT 39 подается на вход блока корреляционного детектирования 49. Блок корреляционного детектирования 49 может быть выполнен в виде согласованного фильтра, настроенного на обработку М-последовательности, передаваемой управляющим радиотерминалом. При обнаружении М-последовательности импульс свертки с выхода блока корреляционного детектирования 49 служит для установки таймера APT 50, и относительно этого импульса отсчитываются интервалы времени, когда абонентским радиотерминалам разрешается передавать и принимать сигналы в соответствии с распределением ресурса в сети.
Из блока 39 принимаемый сигнал подается также на первый вход демодулятора ДФМн APT 42, на второй вход которого приходит сигнал с выхода второго блока преобразования на промежуточную частоту APT 41. На вторые входы блоков 39 и 41 поступает сигнал из синтезатора с фазовой автоподстройкой частоты APT 34, причем на второй вход блока 41 сигнал блока 34 поступает через фазовращатель APT 40 со сдвигом фазы на 90°.
0
С выхода демодулятора ДФМн APT 42 демодулированный сигнал поступает на вход второго последовательно-параллельного преобразователя APT 43, в котором непрерывный сигнал тактируется с частотой дискретизации f и параллельными блоками отсчетов подается на первую группу входов второго перемножителя APT 44, на вторую группу входов которого подаются сигналы из второго генератора функций Уолша APT 45. Управляющий блок APT 48 синхронизирует работу второго генератора функций Уолша APT 45 в соответствии с сигналом из таймера APT 50. В блоке 44 производится умножение временных отсчетов принимаемого сигнала на функции Уолша, как это происходит в УРТ. Далее во втором сумматоре APT 46 происходит сложение по столбцам матрицы произведения, и результат сложения поступает в блок выделения знака APT 47, с выхода которого биты принятых данных (старший разряд суммарного сигнала) выдаются в блок управления связью APT 27. В блоке 27 из общего потока данных выделяется «полезная» информация, которая выдается на выход APT, и служебная информация, которая выдается в управляющий блок APT 48 для дальнейшей обработки.
Распределение ресурса сети между абонентскими радиотерминалами осуществляет управляющий радиотерминал. Управляющий радиотерминал устанавливает структуру временного кадра, передавая в начале кадра сигнал М-последовательности, по которому синхронизируются все абонентские радиотерминалы, затем управляющий радиотерминал принимает от абонентских радиотерминалов запросы на передачу в специально отведенном для этого интервале временного кадра. Эта служебная информация выделяется из общего принимаемого потока информации в блоке управления связью УРТ 1 и поступает для дальнейшей обработки в управляющий блок УРТ 24. В управляющем блоке УРТ 24 с использованием данных о ресурсе сети, хранящихся в блоке памяти 26, производится распределение ресурса абонентским радиотерминалам, от которых получены запросы на передачу. Обновленное распределение ресурса сохраняется в блоке памяти 26 и
направляется в блок управления связью УРТ 1 для включения этой служебной информации в передаваемый управляющим радиотерминалом сигнал. Абонентский радиотерминал выделяет из принимаемого сигнала служебную информацию о распределении ресурса в блоке управления связью APT 27, из которого информация об интервалах времени, когда данному абонентскому терминалу разрешено передавать и принимать информацию, поступает в управляющий блок APT 48. Блок корреляционного детектирования 49 вырабатывает сигнал для установки таймера APT 50. Этот сигнал является началом отсчета временных интервалов в кадре. По результатам сравнения состояния таймера и данных о распределении ресурса из блока управления связью APT 27 управляющий блок APT 48 формирует команды управления первым 30 и вторым 45 генераторами функций Уолша APT и переключает коммутатор APT 36, обеспечивая подключение антенны APT 37 к выходу усилителя мощности APT 35 или ко входу малошумящего усилителя APT 38.
-4
Применение параллельных составных сигналов с функциями Уолша в предлагаемом устройстве позволяет существенно повысить помехоустойчивость связи по сравнению с устройством-прототипом, в котором используется сигнально-кодовая конструкция ОЧМ (OFDM). На фиг.4 представлены графики вероятности ошибки Рош в зависимости от отношения сигнал/шум в канале радиосвязи для параллельных составных сигналов с N=16 (результат моделирования - кривая слева) и ОЧМ (OFDM) с 512 поднесущими в гауссовском канале (кривая справа). Для достижения вероятности ошибки порядка 10 система с ОЧМ требует, чтобы отношение сигнал/шум было больше 12 дБ, тогда как аппаратура с параллельными составными сигналами может работать при отношении сигнал/шум минус 3 дБ с такой же вероятностью ошибки. Это происходит за счет того, что прием параллельных составных сигналов по сути является корреляционным приемом в отличие от обработки сигналов ОЧМ (OFDM). Выигрыш по помехоустойчивости позволяет существенно (в десятки раз и более)
увеличить расстояния между радиотерминалами сети, составленной на базе предлагаемой аппаратуры, а также увеличить количество одновременно работающих абонентских радиотерминалов, поскольку допустимый уровень взаимных помех возрастает.
Источники информации
1. Варакин Л.Е. «Системы связи с шумоподобными сигналами» - М.: Радио и связь, 1985. - 384 с., ил.
2. R.C.Dixon. Spread Spectrum Systems with commercial applications, Third Edition, New York, 1994. (P.K.Диксон «Системы с расширением спектра в коммерческих приложениях»).
3. R.W.Chang, «Synthesis of band-limited orthogonal signals for multichannel data transmission», Bell Syst. Tech. J., vol. 46, pp.1775-1796, Dec. 1966. (P.B.Чанг «Синтез ограниченных по полосе ортогональных сигналов для многоканальной передачи данных»).
4. Т.Keller and L.Hanzo, «Adaptive multicarrier modulation: A convenient framework for time-frequency processing in wireless communications," in Proc. IEEE, vol. 88, May 2000, pp.611-642. (Т.Келлер и Л.Хэнзо «Адаптивная модуляция со множеством несущих: подходящая структура для время-частотной обработки в беспроводных коммуникациях»).
5. К.Шеннон. Работы по теории информации и кибернетике, М., Мир, 1976 г.
6. Суворов Н.П., Вязовский В.А., Проскурин А.Д. «Некоторые пути повышения помехоустойчивости сигналов в каналах радиосвязи». В сб. «Радиотехника», вып.76, Харьков, «Вища школа», 1986 г., с.34-40.
7. Цифровые методы в космической связи. Под ред. С.Голомба, пер. с англ. под ред. В.И.Шляпоберского, Москва, «Связь», 1969 г.
8. C.Andren, M.Webster «CCK Modulation Delivers 11 Mbps for High Rate IEEE 802.11 Extension». Harris Semiconductor, 2401 Palm Bay Road, N.E. MS:62A-024 Palm Bay, Florida, WIRELESS SYMPOSIUM/PORTABLE BY DESIGN CONFERENCE SPRING, 1999. (С.Андрен, М.Уэбстер «Переносчики с модуляцией CCK 11 Мбит/с для высокоскоростных расширений стандарта IEEE 802.11»)
9. М.Медл «200 избранных схем электроники», перевод с англ. под ред. Ицхоки Я.С., Москва, «Мир», 1980 г.