СИСТЕМА РАДИОСВЯЗИ С МНОЖЕСТВЕННЫМ ДОСТУПОМ
MULTI-ACCESS WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM

Предлагаемое устройство относится к области радиосвязи и может быть использовано при построении систем, использующих шумоподобные сигналы, в том числе систем с множественным доступом.
Системы радиосвязи со сложными (шумоподобными) сигналами традиционно используют для повышения помехозащищенности (скрытности и помехоустойчивости) передаваемых сообщений, а также для обеспечения одновременного доступа друг к другу множества абонентов, активно работающих в общем диапазоне рабочих частот.
Известны системы радиосвязи, использующие сигналы с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ) [Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами / Л.Е.Варакин. - М.: Радио и связь, 1985, стр.19, рис.1.11] или системы радиосвязи, в которых находят применение дискретные частотные сигналы (ДЧС) [Передающая часть: Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами / Г.И.Тузов, В.А.Сивов, В.И.Прытков, Ю.Ф.Урядников, Ю.А.Дергачев, А.А.Сулиманов. - М.: Радио и связь, 1985, стр.35 рис.2.6. Приемная часть: Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами / Л.Е.Варакин. - М.: Радио и связь, 1985, стр.346, рис.21.1].
К недостаткам систем радиосвязи, использующих сигналы с ППРЧ, можно отнести невозможность когерентного накопления частотных составляющих, такое накопление возможно только в пределах длительности частотной составляющей, то есть сигнал нельзя сжать. При этом такие сигналы распределены на больших частотно-временных плоскостях, что иногда становится недопустимым, например, в районах плотного сосредоточения радиоэлектронных средств и систем. Системы, использующие ДЧС, выгодно отличаются хорошими выходными корреляционными характеристиками, но это достигается известным усложнением аппаратуры обработки. Кроме того, они так же, как и системы, использующие сигналы с ППРЧ, требуют очень широких диапазонов рабочих частот, хотя спектральная плотность мощности сигналов у них может быть малой.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является система радиосвязи, использующая фазоманипулированные широкополосные сигналы (ФМ ШПС), представленная в книге Варакина Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами / Варакин Л.Е. - М.: Радио и связь, 1985, стр.16, рис.1.7, принятая за прототип.
На фиг.1 изображена функциональная схема устройства-прототипа, где приняты следующие обозначения:
5 - фазовый модулятор (ФМ);
6 - усилитель мощности (УМ);
9 - генератор фазоманипулированного сигнала (ГФМ);
12 - решающее устройство (РУ);
27, 34 - первый и второй синхронизаторы;
28 - балансный модулятор (БМ);
29 - генератор несущей частоты (ГНЧ);
30 - гетеродин;
31 - смеситель (СМ);
31 - согласованный фильтр (СФ);
32 - усилитель промежуточной частоты (УПЧ).
Система-прототип состоит из передающей и приемной частей.
Передающая часть содержит последовательно соединенные первый синхронизатор 34, первый генератор фазоманипулированного сигнала 9, фазовый модулятор 5, балансный модулятор 28 и усилитель мощности 6, выход которого является выходом передающей части, при этом выход генератора несущей частоты 29 соединен со вторым входом балансного модулятора 28, второй вход фазового модулятора 5 является информационным входом передающей части.
Приемная часть содержит последовательно соединенные смеситель 31, усилитель промежуточной частоты 33, согласованный фильтр 32 и решающее устройство 12, выход которого является выходом приемной части, при этом выход согласованного фильтра 32 соединен с входом первого синхронизатора 27, выход которого соединен со вторым входом решающего устройства 12 и входом гетеродина 30, выход которого соединен с первым входом смесителя 31, второй вход которого является информационным входом приемной части.
Устройство-прототип работает следующим образом.
Передающая часть
0
0
0
0
0
От источника информации (ИИ) последовательность двоичных информационных символов 1 и 0 длительностью Т со скоростью 1/Т поступает на второй вход ФМ 5, на первый вход которого с выхода ГФМ 9 одновременно поступает фазоманипулированный сигнал длительностью Т, представляющий собой последовательность видеоимпульсов 1 и 0 длительностью τ=T/N, где N - число таких импульсов в ФМ сигнале. С выхода ФМ 5 на первый вход БМ 28 поступает фазоманипулированный видеосигнал, модулированный символом информационной последовательности. Одновременно с выхода ГНЧ 29 на второй вход БМ 28 поступает несущая частота, а с его выхода на вход УМ 6 приходят импульсы ФМ ШПС, где они усиливаются и поступают в канал связи. Первый синхронизатор 34 согласовывает работу ГФМ 9 с темпом поступления информационных символов.
Приемная часть
Излученный передающей частью ФМ ШПС, пройдя канал связи, попадает на второй вход СМ 31, на первый вход которого поступает сигнал гетеродина 30, при этом принятый сигнал переносится на промежуточную частоту и поступает на вход УПЧ 33, с выхода которого он поступает на вход СФ 32. С выхода СФ 32 на вход первого синхронизатора 27 и на второй вход РУ 12 поступит корреляционная функция пришедшего сигнала. Согласованной работой блоков гетеродина 30 и РУ 12 управляет второй синхронизатор 27, поэтому в момент отсчета с выхода СФ 32 на второй вход РУ 12 поступает максимальное значение корреляционной функции со своим знаком, а с его выхода получателю информации в зависимости от знака выходного эффекта поступит либо информационная единица либо информационный нуль.
Одним из недостатков в использовании ФМ ШПС является то, что из полного кода какой-либо системы сигналов хорошими корреляционными свойствами обладают немного последовательностей.
Задачей предлагаемой системы является увеличение количества абонентов, работающих в общей полосе частот, при неизменной длине кодовых последовательностей.
Для решения поставленной задачи в систему радиосвязи, содержащую приемную и передающую части, в передающей части - первый генератор фазоманипулированного сигнала, первый фазовый модулятор и усилитель мощности, выход которого является выходом передающей части; в приемной части - синхронизатор и решающее устройство, выход которого является выходом приемной части, согласно изобретению, введены в передающую часть последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, первый делитель частоты, первый генератор числовой последовательности, первый переключатель частот, выход которого соединен с первым входом фазового модулятора, выход которого соединен с входом усилителя мощности, при этом выход генератора тактовых импульсов соединен со входами первого генератора частот и первого генератора фазоманипулированных сигналов, выход которого соединен со вторым входом перемножителя, первый вход которого является информационным входом передающей части, а выход соединен со вторым входом первого фазового модулятора, кроме того, два выхода первого генератора частот соединены с соответствующими входами первого переключателя частот; в приемную часть последовательно соединенные первый полосовой фильтр, первый усилитель, первый элементный фильтр и первый коррелятор, последовательно соединенные второй полосовой фильтр, второй усилитель, второй элементный фильтр и второй коррелятор, при этом выход первого и второго корреляторов соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого соединен с первым входом решающего устройства, выход которого через синхронизатор соединен с входом управляемого генератора тактовых импульсов, выход которого соединен с входами второго генератора частот, второго делителя частоты, второго генератора фазоманипулированных сигналов и третьими входами первого и второго корреляторов, а также со вторым входом решающего устройства, кроме того, выходы второго генератора частот соединены с соответствующими входами второго переключателя частот, выход которого соединен с первым входом второго фазового модулятора, выход которого соединен со вторыми входами первого и второго корреляторов, выход второго делителя частоты через второй генератор числовой последовательности соединен с третьим входом второго переключателя частот, выход второго генератора фазоманипулированных сигналов соединен со вторым входом второго фазового модулятора, при этом вход первого и второго полосовых фильтров объединены и являются входом приемной части устройства.
Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2, где приняты следующие обозначения:
1 - генератор тактовых импульсов (ГТИ);
2, 24 - первый и второй делители частоты (ДЧ);
3, 25 - первый и второй генераторы числовой последовательности (ГЧП);
4, 22 - первый и второй переключатели частот (ПЧ);
5, 23 - первый и второй фазовые модуляторы (ФМ);
6 - усилитель мощности (УМ);
7 - перемножитель (П):
8, 21 - первый и второй генераторы частот (ГЧ);
9, 26 - первый и второй генераторы фазоманипулированных сигналов (ГФМ);
10 - управляемый генератор тактовых импульсов (УГТИ);
11, 15 - первый и второй полосовые фильтры (ПФ);
12 - решающее устройство (РУ);
13, 17 - первый и второй элементные фильтры (ЭФ);
14 18 - первый и второй корреляторы (КОР);
19 - сумматор (СУМ);
20, 16 - первый и второй усилитель (У);
27 - синхронизатор (С).
Предлагаемая система радиосвязи содержит передающую и приемную части.
Передающая часть содержит последовательно соединенные генератор тактовых импульсов 1, первый делитель частоты 2, первый генератор числовой последовательности 3, первый переключатель частот 4, первый фазовый модулятор 5 и усилитель мощности 6, выход которого является выходом передающей части, при этом выход генератора тактовых импульсов 1 соединен со входами первого генератора частот 8 и первого генератора фазоманипулированных сигналов 9, выход которого соединен со вторым входом перемножителя 7, первый вход которого является информационным входом передающей части, а выход соединен со вторым входом первого фазового модулятора 5. Два выхода первого генератора частот 8 соединены с соответствующими входами первого переключателя частот 4.
Приемная часть содержит последовательно соединенные первый полосовой фильтр 11, первый усилитель 20, первый элементный фильтр 13 и первый коррелятор 14, последовательно соединенные второй полосовой фильтр 15, второй усилитель 16, второй элементный фильтр 17 и второй коррелятор 18, при этом выход первого 14 и второго 18 корреляторов соединены с соответствующими входами сумматора 19, выход которого соединен с первым входом решающего устройства 12, выход которого является выходом приемной части и через синхронизатор 27 соединен с входом управляемого генератора тактовых импульсов 10, выход которого соединен с входами второго генератора частот 21, второго делителя частот 24, второго генератора фазоманипулированных сигналов 26 и третьими входами первого 14 и второго 18 корреляторов, а также со вторым входом решающего устройства 12. Кроме того, выходы второго генератора частот 21 соединены с соответствующими входами второго переключателя частот 22, выход которого соединен с первым входом второго фазового модулятора 23, выход которого соединен со вторыми входами корреляторов 14 и 18. Выход второго делителя частот 24 через второй генератор числовой последовательности 25 соединен с третьим входом второго переключателя частот 22. Выход второго генератора фазоманипулированных сигналов 26 соединен со вторым входом второго фазового модулятора 23. При этом вход первого 11 и второго 15 полосовых фильтров объединены и являются входом приемной части устройства.
Предлагаемая система радиосвязи работает следующим образом.
В передающей части
т
т
0
1,2
0
1,2
1,2
i
т
0
T
T
0
i
ГТИ 1 вырабатывает сигнал с тактовой частотой f, задающей темп генерации двух частот в ГЧ 8, темп генерации фазоманипулированного сигнала в ГФМ 9, а также частоту тактов ГЧП 3. ГЧ 8 с частотой, определяемой величиной f, на промежутке времени Т вырабатывает две частоты f=f+γΔf, величина γ может принимать одно из двух значений: либо µ, либо µ+η, где µ, η=1, 2, …, а Δf является шириной полосы, которую занимает один элементный сигнал (частотный элемент). При этом ГЧП 3 вырабатывает псевдослучайную последовательность, состоящую из N чисел, сопоставляя в бинарной псевдослучайной последовательности (например, в М-последовательности, коде Баркера и т.д.) единице величину µ, а нулю - величину µ+η. Например, если взять бинарный семиэлементный код Баркера 1110010, µ=1, η=2, то получим числовую последовательность вида {γ}=1113313. Чтобы фаза выходного сигнала ГЧ 8 не имела скачков в моменты переключений частот на выходе первого ПЧ 4, частоты в ГЧ 8 формируются от той же тактовой частоты f, которая синхронизирует работу ГЧП 3. При этом должно соблюдаться соотношение f=kf, Δf=m/, где k и m - целые числа, a Δf≈N/T. Такие соотношения обеспечивает первый ДЧ 2. С выхода ГЧП 3 на первый вход ПЧ 4 поступает псевдослучайная числовая последовательность, состоящая из N элементов, значениями которых являются два различных числа. Одновременно на второй и третий входы ПЧ 4 с соответствующих выходов ГЧ 8 поступят две частоты. Переключатель ПЧ 4 ставит в соответствие каждому числу γ заранее определенную частоту из двух и только ее пропускает на выход. Этот частотный элемент поступает на первый вход ФМ 5. В то же время на второй вход перемножителя П 7 с выхода ГФМ 9 поступают элементы фазоманипулированного видеосигнала той же длительности, что и частотные элементы, а на первый его вход - информационные символы. При этом с выхода П 7 на второй вход ФМ 5 поступает фазоманипулированный видеосигнал, модулированный информационным символом. Следовательно, в ФМ 5 осуществляется фазовая модуляция N частотных элементов, поступающих с выхода ПЧ 4, и далее кодированный по частоте и фазе радиосигнал (частотно-фазокодоманипулированный сигнал - ЧФКМС) усиливается в УМ 6 и поступает в канал связи.
В приемной части элементы ЧФКМС из канала связи поступают на входы первого 11 и второго 15 полосовых фильтров. Так как полосы пропускания фильтров не перекрываются, то с их выходов на входы усилителей 20 и 16 поступают элементы ЧФКМС с соответствующими центральными частотами. Далее эти элементы фильтруются соответственно в элементные фильтры 13 и 17 и поступают на первые входы соответствующих корреляторов 14 и 18. Одновременно с выхода УГТИ 10 на входы ГЧ 21, ДЧ 24, генератора ГФМ 26, третьи входы корреляторов 14 и 18, а также на второй вход РУ 12 поступят тактовые импульсы, задающие темп согласованной работы этих блоков. При этом второй ГЧ 21 начинает генерировать две частоты, которые являются копиями тех, что формировались в первом ГЧ 8, и с первого и второго выходов ГЧ 21 эти частоты поступают на первый и второй входы второго ПЧ 22, на третий вход которого с выхода второго ГЧП 25, управляемого сигналами с выхода второго ДЧ 24, поступит числовая последовательность, являющаяся копией числовой последовательности, сформированной на передающей стороне. Тогда с выхода второго ПЧ 22 на первый вход второго ФМ 23 поступит последовательность частотных элементов, аналогичная той, что была сформирована на выходе первого ПЧ 5. На второй вход второго ФМ 23 с выхода второго ГФМ 26 поступают элементы фазоманипулированного видеосигнала такого же, как на передающей стороне. Следовательно, с выхода ФМ 23 на вторые входы корреляторов 14 и 18 поступят элементы опорного ЧФКМС. Полагаем, что синхронизация по задержке и частоте близка к идеальной, тогда с выходов корреляторов 14 и 18 на соответствующие входы СУМ 19 поступят частичные корреляционные функции, соответствующие суммарной энергии тех элементов принятого сигнала в своих ветвях, у которых частота и фаза совпадают с частотой и фазой элементов опорного сигнала, поступающих на вторые входы корреляторов соответствующих ветвей с выхода ФМ 23. Значит, с выхода СУМ 19 на вход РУ 12 в момент отсчета поступит экстремум корреляционной функции всего принятого сигнала. При этом с выхода РУ 12 потребителю поступит принятый информационный символ, он же поступит и на вход синхронизатора 27, что обеспечит коррекцию тактовой частоты в УГТИ 10.
Пусть на вход приемной части поступит ЧФКМС, у которого определенный фазовый код, а частотный код той же длины, но является инверсным по отношению к исходному частотному коду (в случае того же семиэлементного кода Баркера инверсная числовая последовательность есть =1=3331131), то на выходе корреляторов 14 и 18 в момент отсчета будут величины, близкие к нулю, так как коэффициент корреляции ортогональных (квазиортогональных) элементных сигналов невелик.
Если же на вход приемной части поступит ЧФКМС, у которого определенный частотный код, а фазовый код той же длины, но является ортогональным (квазиортогональным) по отношению к исходному фазовому коду, то снова на выходе корреляторов 14 и 18 в момент отсчета получим малые значения.
N
1
2
Объем полного двоичного кода содержит 1=2 кодовых последовательностей, где N - длина кодовой последовательности (например, длина М-последовательности). Число же квазиортогональных М-последовательностей будет равно K=φ(N)/k, где φ(N) - функция Эйлера, а k - число разрядов в сдвигающем регистре автомата формирования М-последовательностей. Очевидно, что К<<L. Анализ всего вышеизложенного показывает следующее. Из всего ансамбля семиэлементных сигналов могут использоваться только 2 ЧФКМС с взаимно инверсными числовыми последовательностями для частотного кода его элементов. С другой стороны, совместно с каждым из этих 2-частотных кодов может быть использован 1-фазовый код, у которого бинарная псевдослучайная последовательность не совпадает с исходной бинарной псевдослучайной последовательностью ПСП любого из двух используемых частотных кодов. Однако бинарные ПСП, совпадающие с исходными бинарными ПСП любого из двух используемых частотных кодов, тоже могут применяться, если их сдвинуть циклически вперед или назад не менее чем на две позиции, так как необходимо, чтобы частотный и фазовый коды всегда были перемешаны (например, 222252522552555 и 110101100100011). Это значит, что для ПСП любой длины N в полосе рабочих частот 2Δf может быть использовано 2К квазиортогональных ЧФКМС. Кроме того, один и тот же ансамбль из К сигналов фазокодоманипулированных (ФКМ) можно использовать дважды на разнесенных частотах f, f с шириной полосы рабочих частот Δf каждый, то есть обслужить 2К абонентов. Это значит, что в полосе рабочих частот 2Δf, используя бинарную ПСП фиксированной длины N, можно сформировать ансамбль из 3К квазиортогональных ФКМ и ЧФКМ сигналов, с помощью которых можно обслужить 4К абонентов.
Таким образом, предлагаемая система радиосвязи обеспечивает более эффективное использование бинарных псевдослучайных кодов по сравнению с устройством-прототипом, что заключается в трехкратном увеличении ансамбля сигналов с хорошими корреляционными характеристиками и позволяет в два раза увеличить количество абонентов в системах связи с множественным доступом, работающих в удвоенной полосе рабочих частот, при одинаковой длине используемых бинарных кодовых последовательностей.
Варианты технической реализации всех введенных блоков не представляют затруднения. Они описаны в технической литературе и широко представлены в патентах. Например, блоки ГЧ, ДЧ, ПЧ, ГТИ и ГЧП описаны в [Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами / Г.И.Тузов, В.А.Сивов, В.И.Прытков, Ю.Ф.Урядников, Ю.А.Дергачев, А.А.Сулиманов. - М: Радио и связь, 1985, стр.47 рис.2.8], блок УГТИ - там же, стр.118, рис.4.7. Блоки ПФ, У, ЭФ описаны в [Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами / Л.Е.Варакин. - М: Радио и связь, 1985, стр.346, рис.21.2], блоки П и СУМ - там же, стр.350, рис.21.5.
Таким образом, введение дополнительных блоков в предлагаемую систему радиосвязи обеспечивает достижение технического результата - увеличение ансамбля сложных сигналов с хорошими корреляционными свойствами и количества активных абонентов при неизменной длительности бинарных кодовых последовательностей. Кроме того, с позиции формирования сигналов значительное удобство представляет тот факт, что в случае использования ЧФКМС числовую последовательность для частотного кода получают на основе любой двоичной псевдослучайной последовательности.