ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ СТАЦИОНАРНАЯ РАДИОСТАНЦИЯ

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована для организации высокоскоростных сетей и пакетной дуплексной радиосвязи обмена цифровой информацией, в качестве источника которой может быть применен персональный компьютер (ПК).
Известно большое количество носимых и возимых радиостанций, например, Р-159М ИП1.100.63, радиостанции по патентам на полезные модели №27764, №31181 и др., выполняющих аналогичные функции.
Недостатками этих радиостанций являются:
- низкая скорость передачи данных от оконечной аппаратуры;
- отсутствие возможности передачи информации от ПК и дистанционного управления режимами и видами работ;
- невозможность автоматизированного ввода радиоданных, под которыми понимаются значения рабочих частот и идентификаторы радиостанции;
- отсутствие адаптивного изменения скорости передачи и вида модуляции в зависимости от помеховой обстановки;
- отсутствие помехоустойчивого кодирования и декодирования информации для дальнейшего достоверного восстановления радиоданных на приемной стороне;
- невозможность обеспечения радиоинтерфейса между оборудованием инфраструктуры сетей высокоскоростной передачи информации, использующих интерфейс высокоскоростной передачи информации Ethernet (стандарт организации локальных сетей 802.3 и 802.3u), со скоростью передачи данных 10/100 Мбит/сек;
- отсутствие возможности поддержки сетевых протоколов IP, ARP, ICMP, AGMP, TCP, UDP;
- невозможность работы в режиме мультиплексирования с ортогональным частотным разделением сигналов (OFDM);
- отсутствие возможности работы с видами модуляции типа BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM;
- отсутствие возможности работы в режиме частотно-временного разделения каналов приема и передачи информации(FDD-HD полудуплекс);
- отсутствие возможности регулировки выходной мощности передатчика.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является радиостанция Р-163-50У ИВ1.106.016 [Комплекс средств радиосвязи "Арбалет". Возимые УКВ радиостанции. Издательство ВАС.1996 г. УДК. 621.396.7], принятая за прототип.
На фиг.1 приведена обобщенная структурная схема радиостанции-прототипа, где обозначено:
1 - блок управления (БУ);
1 -канал приема-передачи данных;
2 - синтезатор частот;
4 - передатчик;
5 - приемник;
6 - антенный коммутатор;
7 - антенна;
8 - антенно-согласующее устройство (АСУ);
12, 13 - первый и второй коммутаторы информации.
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные блок управления 1 и канал приема-передачи данных I, а также первый 12 и второй 13 коммутаторы информации.
Канал приема-передачи 1 содержит синтезатор частот 2, вход которого является первым входом канала 1 и соединен со вторыми входами передатчика 4 и приемника 5, третьи входы которых подсоединены к выходу синтезатора частот 2. Выход передатчика 4 соединен с первым входом антенного коммутатора 6, выход которого соединен с первым входом приемника 5, выход
которого является выходом канала приема-передачи информации 1 и соединен с входом второго коммутатора информации 13, выходы которого являются выходами цифровой и речевой информации соответственно. Кроме того, выход-вход антенного коммутатора 6 через АСУ 8 подсоединен к антенне 7. Управляющий вход антенного коммутатора 6 является вторым входом канала 1 и соединен со вторым выходом блока управления 1, третий выход которого соединен с управляющим входом первого коммутатора информации 12, выход которого соединен с информационным входом канала I, являющимся первым входом передатчика 4. Первый и второй входы первого коммутатора 12 являются входами цифровой и речевой информации соответственно.
Устройство-прототип работает следующим образом.
В режиме передачи информация от источника цифровой информации (ИстЦИ) или от источника речевой информации (ИстРИ) через первый коммутатор информации 12, устанавливающий очередность ее использования в зависимости от состояния управляющего входа, которым управляет сигнал с третьего выхода блока управления 1, поступает на информационный вход канала приема-передачи данных 1, являющийся первым входом передатчика 4, далее сигнал через антенный коммутатор 6 и АСУ 8 поступает в антенну 7.
На второй вход канала приема-передачи 1 с БУ 1 поступает сигнал, управляющий переключением входа-выхода антенного коммутатора 6 к выходу передатчика 4 или к первому входу приемника 5. В режиме приема сигнал от антенны 7 через АСУ 8 и антенный коммутатор 6 поступает в приемник 5, с выхода которого информация через второй коммутатор 13 поступает одновременно на первый и второй выходы, с которых сигналы цифровой и №н-формации (ЦИ) и речевой информации (РИ) подаются на приемник цифровой информации (ПрЦИ) и приемнику речевой информации (ПрРИ) соответственно.
Сигнал от БУ 1, поступающий на первый вход канала приема-передачи I, управляет настройкой синтезатора частот 2 и работой передатчика 4 и приемника 5.
Недостатками устройства-прототипа являются:
- низкая скорость передачи данных от оконечной аппаратуры;
- отсутствие возможности передачи информации от ПК и дистанционного управления режимами и видами работ;
- невозможность автоматизированного ввода радиоданных, под которыми понимаются значения рабочих частот и идентификаторы радиостанции;
- отсутствие адаптивного изменения скорости передачи и вида модуляции в зависимости от помеховой обстановки;
- отсутствие помехоустойчивого кодирования и декодирования информации для дальнейшего, достоверного восстановления радиоданных на приемной стороне;
- невозможность обеспечения радиоинтерфейса между оборудованием инфраструктуры сетей высокоскоростной передачи информации, использующих интерфейс высокоскоростной передачи информации Ethernet (стандарт организации локальных сетей 802.3 и 802.3u), со скоростью передачи данных 10/100 Мбит/сек;
- отсутствие возможности поддержки сетевых протоколов IP, ARP, ICMP, AGMP, TCP, UDP;
- невозможность работы в режиме мультиплексирования с ортогональным, частотным разделением сигналов (OFDM);
- отсутствие возможности работы с видами модуляции типа BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM;
- отсутствие возможности работы в режиме частотно-временного разделения каналов приема и передачи информации (FDD-НD полудуплекс;
- отсутствие возможности регулировки выходной мощности передатчика.
Для устранения указанных недостатков в радиостанцию, содержащую последовательно соединенные блок управления и канал приема-передачи данных, состоящий из последовательно соединенных передатчика и антенного
коммутатора, выход-вход которого через антенно-согласующее устройство подсоединен к антенне, при этом выход антенного коммутатора соединен с первым входом приемника, а также синтезатора частот, вход которого является входом канала приема-передачи и соединен со вторыми входами передатчика и приемника, третьи входы которых соединены с выходом синтезатора частот, согласно полезной модели, в канал приема-передачи введены последовательно соединенные кодер и модулятор, последовательно соединенные демодулятор и декодер, причем вторые входы кодера, декодера, модулятора, демодулятора и антенного коммутатора подсоединены к входу синтезатора частот, выход модулятора соединен с первым входом передатчика, вход кодера является информационным входом канала приема-передачи и подсоединен к информационному выходу блока управления, информационный вход которого соединен с информационным выходом канала приема-передачи, являющимся выходом декодера, при этом выход приемника соединен с первым входом демодулятора, управляющие выходы которого подсоединены к соответствующим управляющим входам приемника, кроме того, вход-выход блока управления является интерфейсом сетей высокоскоростной передачи информации Ethernet, при этом последовательное соединение блока управления и канала приема-передачи выполнено двунаправленной шиной управления.
На фиг.1 приведена схема устройства-прототипа, на фиг.2 - структурная схема предлагаемого устройства, на фиг.3а - схема кодера, на фиг.3б - схема декодера; на фиг.4а - схема модулятора; на фиг.4б - схема демодулятора.
Структурная схема предлагаемой радиостанции приведена на фиг.2, где обозначено:
1 - блок управления;
1 - канал приема-передачи данных;
2 - синтезатор частот;
3 - кодер;
4 - передатчик;
5 - приемник;
6 - антенный коммутатор;
7 - антенна;
8 - антенно-согласующее устройство (АСУ);
9 - декодер;
10 - модулятор;
11 - демодулятор.
Предлагаемая радиостанция содержит блок управления 1, управляющий выход-вход которого соединен двунаправленной шиной управления с управляющим входом-выходом канала приема-передачи данных, причем вход-выход блока управления 1 является интерфейсом сетей высокоскоростной передачи информации Ethernet.
Канал приема-передачи данных 1 содержит последовательно соединенные кодер 3, модулятор 10, передатчик 4 и антенный коммутатор 6, выход-вход которого через АСУ 8 подсоединен к антенне 7, а также последовательно соединенные приемник 5, демодулятор 11 и декодер 9, выход которого является информационным выходом канала приема-передачи 1 и соединен с информационным входом блока управления 1, информационный выход которого является информационным входом канала приема-передачи 1 и первым входом кодера 3. Кроме того, выход синтезатора частот 2 соединен с третьими входами передатчика 4 и приемника 5, причем вход синтезатора 2 соединен с управляющим входом-выходом канала приема-передачи 1 и соединен со вторыми входами кодера 3, модулятора 10, передатчика 4, приемника 5, демодулятора 11, декодера 9 и антенного коммутатора 6. При этом управляющие выходы автоматической регулировки усиления (АРУ) и автоматической подстройки частоты (АПЧ) демодулятора 11 соединены с соответствующими управляющими входами приемника 5 соответственно, выход антенного коммутатора 6 соединен с первым входом приемника 5.
Структурная схема кодера 3 приведена на фиг.3а, где обозначено:
3.1 - блочный кодер Рида/Соломона; 3.2 - сверточный кодер; 3.3 - перемежитель.
Кодер 3 содержит последовательно соединенные блочный кодер Рида/Соломона 3.1, сверточный кодер 3.2 и перемежитель 3.3, выход которого является выходом кодера 3. Вход блочного кодера Рида/Соломона 3.1 является первым входом кодера 3, второй вход которого соединен со вторыми входами блоков 3.1, 3.2, 3.3.
Структурная схема декодера 9 приведена на фиг.Зб, где обозначено:
9.1 - обратный перемежитель; 9.2 - блочный декодер Рида/Соломона; 9.3 - декодер ВИТЕРБИ.
Декодер 9 содержит последовательно соединенные обратный перемежитель 9.1, блочный декодер Рида/Соломона 9.2 и декодер ВИТЕРБИ 9.3, выход которого является выходом декодера 9. Вход перемежителя 9.1 является первым входом декодера 9, а его второй вход подсоединен ко вторым входам блоков 9.1, 9.2, 9.3.
Структурная схема модулятора 10 приведена на фиг.4а, где обозначено:
10.1 - блок формирования символов BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM, из потока входных данных; 10.2 - блок подстановки пилот-сигнала и защитных подсимволов; 10.3 - блок обратного быстрого комплексного преобразования Фурье; 10.4 - блок интерполятора и цифрового фильтра низких частот; 10.5 - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).
Модулятор 10 содержит последовательно соединенные блок формирования символов BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM из потока входных данных 10.1, блок подстановки пилот-сигнала и защитных подсимволов 10.2, блок обратного быстрого комплексного преобразования Фурье 10.3, блок интерполятора и цифрового фильтра низких частот 10.4 и ЦАП 10.5, выход которого является выходом модулятора. Вход блока формирования символов BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM из потока входных данных 10.1 является первым входом модулятора 10, второй вход модулятора 10 соединен со вторыми входами блоков 10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5.
Структурная схема демодулятора 11 представлена фиг.4б, где обозначено:
11.1 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 11.2 - блок цифрового фильтра низких частот и устройства прореживания; 11.3 - блок быстрого комплексного преобразования Фурье; 11.4 - блок выделения пилот-сигнала и защитных подсимволов; 11.5 - блок формирования потока битов данных из символов BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM, 11.6 - контроллер автоматической подстройки коэффициента усиления приемника; 11.7 - контроллер автоматической подстройки частоты.
Демодулятор 11 содержит последовательно соединенные АЦП 11.1, блок цифрового фильтра низких частот и устройства прореживания 11.2, блок быстрого комплексного преобразования Фурье 11.3, блок пилот-сигнала и защитных подсимволов 11.4 и блок формирования потока битов данных из символов BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM 11.5, выход которого является выходом демодулятора 11. Кроме того, выход АЦП 11.1 соединен с первым входом контроллера автоматической подстройки коэффициента усиления приемника 11.6, выход которого является управляющим выходом АРУ. Выход блока цифрового фильтра низких частот и устройства прореживания 11.2 соединен с первым входом контроллера автоматической подстройки частоты 11.7, выход которого является управляющим выходом АПЧ, выход блока быстрого комплексного преобразования Фурье 11.3 соединен с третьим входом контроллера автоматической подстройки частоты 11.7. Вход АЦП 11.1 является первым входом демодулятора 11, второй вход которого соединен со вторыми входами блоков 11.1, 11.2, 11.3, 11.4, 11.5, 11.6, 11.7.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
С включением питания предлагаемая радиостанция автоматически переходит в режим приема служебных пакетов синхронизации. В случае отсутствия пакетов синхронизации, предлагаемая радиостанция начинает сама излучать пакеты синхронизации согласно установленному стандарту, например, согласно стандарту 802.16d. Радиостанция, принимающая служебные пакеты синхронизации, вырабатывает пакеты подтверждения информации и образует
высокоскоростную сеть пакетной радиосвязи с использованием принципа частотно-временного разделения каналов приема и передачи информации (FDD-HD - полудуплекс) и обеспечения радиодоступа типа точка-точка.
Любая радиостанция, находящаяся в сети радиодоступа типа точка-точка, переходит в режим передачи по сигналу "Запрос передачи" от источника цифровой информации, в данном случае от интерфейса между оборудованием инфраструктуры сетей высокоскоростной передачи информации, использующих интерфейс высокоскоростной передачи информации Ethernet (стандарт организации локальных сетей 802.3 и 802.3u), со скоростью передачи данных 10/100 Мбит/сек. Данные сети Ethernet попадают на вход-выход блока управления 1, где реализуются методы доступа к среде, формат кадров, адресация, поддержка доступа к каналу связи, осуществляется прием и передача информационных и управляющих кадров, обнаруживаются ошибки приема-передачи. Передаваемые пакеты информации, представляющие собой непрерывный поток байтов, с соответствующего информационного выхода блока управления 1 через информационный вход канала приема-передачи 1 поступают на вход кодера 3, где под управлением блока управления 1 байтовый поток кодируется, что обеспечивается блочным кодером Рида/Соломона 3.1. После обработки в блочном кодере Рида/Соломона 3.1, байтовый поток подается в виде последовательного битового потока в сверточный кодер 3.2, который вносит избыточность в битовый поток. После сверточного кодера 3.2 поток битов поступает на вход перемежителя 3.3, где поступающие из сверточного кодера 3.2 биты перемеживаются с заданными значениями интервала и глубины. Далее с выхода кодера 3 поток бит поступает на вход модулятора 10, где под управлением блока управления 1 в блоке 10.1 преобразуется в символы BPSK, QPSK, 16QAM либо 64QAM предпочтительно с ортогональным частотным разделением и поступают на блок 10.2, где происходит подстановка подсимволов пилот-сигнала. Далее новая сформированная последовательность поступает на блок 10.3 обратного быстрого преобразования Фурье. По завершении модуляции цифровая последовательность предпочтительно
подается в блок 10.4 и, если это необходимо, интерполируется до более высокой частоты перед выводом в ЦАП 10.5, выходной сигнал которого является выходным сигналом модулятора 10. Далее сигнал с модулятора 10 подается на первый вход передатчика 4, где под управлением блока управления 1 осуществляющим необходимое управление передатчика 4 и управление необходимым уровнем выходной мощности передатчика 4, поступает на антенный коммутатор 6, где под управлением блока управления 1 через антенно-согласующее устройство 8 поступает на антенну 7 и с канальной скоростью до 37.2 Мбит/сек излучается в эфир.
В режиме приема радиостанция, находящаяся в сети, осуществляет процедуру обратного преобразования сигнала, принятого антенной 7. Сигнал через АСУ 8 и под управлением блока управления 1 антенного коммутатора 6 поступает на вход приемника 5, а затем в демодулятор 11, где аналоговый сигнал подается на вход АЦП 11.1. Выходной сигнал АЦП 11.1 дискретизируется и подается в виде сигнала обратной связи в контуре автоматической регулировки усиления (АРУ), реализуемый блоком 11.6, так что режим работы АЦП 11.1 поддерживается в линейном рабочем диапазоне. Выходной сигнал АЦП 11.1 подается также на вход блока 11.2, в результате чего цифровой сигнал подвергается цифровой обработке (DSP), и фильтруется. После этих преобразований сигнал представляет собой символы с ортогональным частотным разделением, которые подаются в петлю обратной связи автоматической подстройки частоты, реализуемой блоком 11.7, так чтобы частота приема совпадала с частотой принимаемого сигнала. Далее символы с ортогональным частотным разделением поступают в блок 11.3 быстрого комплексного преобразования Фурье, а также в петлю обратной связи автоматической подстройки частоты, реализуемой блоком 11.7 на его второй вход, так чтобы частота приема совпадала с частотой принимаемого сигнала, к тому же контроллер автоматической подстройки частоты 11.7 может управляться непосредственно от блока управления 1 через шину управления каналом приема-передачи данных I, сигналом, поступающим на второй вход демодулятора 11,
а далее - на блок 11.4, где происходит выделение подсимволов и пилот-сигналов синхронизации.
На следующем этапе демодуляции в блоке 11.5 происходит преобразование полученных символов BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM в поток бит, поступающих на выход демодулятора 11. Далее поток бит подвергается обратному перемежению в блоке 9.1 декодера 9. Обратный перемежитель 9.1 размещает биты в том же порядке, в каком они были в исходном передаваемом сигнале. Далее последовательный поток данных поступает в декодер Витерби 9.2, где скорость потока бит понижается для исправления ошибок и поступает в декодер Рида/Соломона 3.1 для исправления оставшихся ошибок. Далее сформированный информационный поток поступает в блок управления 1 для его преобразования в формат принимаемых данных, соответствующих стандарту организации локальных сетей 802.3 и 802.3u Ethernet, где реализуются методы доступа к среде, формат кадров, адресация, поддержка доступа к каналу связи, осуществляется прием и передача информационных и управляющих кадров, обнаруживаются ошибки приема-передачи и подается на вход-выход блока управления 1 для дальнейшего подключения радиостанции к оборудованию инфраструктуры сетей высокоскоростной передачи информации, использующих интерфейс высокоскоростной передачи информации Ethernet.
Каждая радиостанция анализирует отношение сигнал/шум и, как следствие, качество обмена информацией на рабочей частоте. При плохом отношении сигнал/шум радиостанция может адаптивно изменять тип кодирования и тип модуляции для обеспечения необходимого качества обмена информацией на рабочей частоте.
Блоки предлагаемой радиостанции такие, как кодер 3, декодер 9, модулятор 10, демодулятор 11, блочный кодер Рида/Соломона 3.1, блок сверточного кодера 3.2, перемежителя 3.3, обратный перемежитель 9.1, декодер Витерби 9.2, блочный декодер Рида/Соломона 9.3, блок формирования символов BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM 10.1, блок подстановки пилот-сигнала и защитных подсимволов 10.2, блок обратного быстрого комплексного преобразования Фурье 10.3, блок интерполятоpa
и цифрового фильтра низких частот 10.4, блок цифрового фильтра низких частот и устройства прореживания 11.2, блок быстрого комплексного преобразования Фурье 11.3, блок выделения пилот-сигнала и защитных подсимволов 11.4, блок 11.5 формирования потока битов данных из символов BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM, контроллер автоматической подстройки коэффициента усиления приемника 11.6, контроллер автоматической подстройки частоты 11.7 могут быть выполнены с использованием программируемых пользователем вентильных матриц, представляющих собой матричную БИС FPGA (field programmable gate array) или технологии на основе специальных интегральных схем (СИС), либо частично являться частью блока управления 1, выполненного, например, на цифровом сигнальном процессоре (DSP) TMS320C64xx.
Таким образом, предлагаемая радиостанция позволяет:
- работать в диапазоне частот 3,4-3,6 ГГц;
- иметь спектр сигнала передатчика, соответствующий стандарту IEEE 802.16d (условная ширина спектра сигнала - 10 МГц);
- обеспечивать скорость передачи цифровой информации до 12 Мбит/сек;
- поддерживать возможности работы с видами модуляции типа BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM;
- поддерживать частотно-временное разделение каналов приема и передачи информации (FDD-HD - полудуплекс);
- обеспечивать возможность регулировки выходной мощности передатчика;
- обеспечивать выходную мощность радиостанции не менее 100 мВт;
- обеспечивать вероятность ошибочного приема бит равным 10 при модуляции QPSK и ширине полосы сигнала 10 МГц должна быть не более минус 83 дБм;
- обеспечивать передачу и прием цифровой информации по стыку Ethernet, соответствующему требованиям стандарта 802.3 и 802.3u;
- обеспечивать дальность связи при работе с модуляцией QPSK до 20 км при обеспечении условий прямой видимости;
- поддерживать сетевые протоколы IP, ARP, ICMP, AGMP, TCP, UDP.