МОДЕМ ДЛЯ МНОГОНАПРАВЛЕННОЙ СВЯЗИ
MODEM FOR MULTI-DIRECTIONAL COMMUNICATION

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для применения в мобильных и подвижных системах связи.
Известен когерентный приемник модулированных сигналов (см. описание к патенту № 2254679, H04В 1/10, H04J 13/02, опубл. 20.06.2005 г.), содержащий фазовращатель на π/2, управляемый генератор, управляющие элементы, фильтр фазовой ошибки, преобразователи частоты, согласованные фильтры, аналого-цифровые преобразователи, квадратурные корреляторы, демодулятор, декодер, линии задержки, перемножители, фильтр ошибки по задержке, генератор опорных сигналов и управляемый тактовый генератор.
По сравнению с этим аналогом, предлагаемое техническое решение охватывает не только приемную часть, но и передающую и содержит адаптивную схему управления параметрами модема.
Наиболее близким устройством к заявленному устройству по совокупности признаков является цифровой модем (см. описание к патенту № 2583715, H04L 29/00, H04L 27/34, опубл. 10.12.2014 г.), принятый за прототип, содержащий устройство управления, передающую и приёмную части. Передающая часть включает буферы LVDS передающей части, мультиплексоры передающей части, память типа FIFO (буфер FIFO), кодер блочных турбокодов (помехоустойчивый кодер), модулятор, интерполятор с фильтром нижних частот (полифазный фильтр). Приёмная часть включает буферы LVDS приёмной части, мультиплексоры приёмной части, фильтр нижних частот, демодулятор, декодер блочных турбокодов (помехоустойчивый декодер), память типа FIFO (буфер FIFO) приёмной части, устройство оценки качества каналов. Выходы устройства управления соединены с входом модулятора и входом демодулятора, вход устройства управления соединен с выходом устройства оценки качества каналов. Выходы помехоустойчивого декодера соединены с входом устройства оценки качества каналов и с входом мультиплексора приёмной части. Выход мультиплексора приёмной части соединен с входом буфера FIFO приёмной части.
В прототипе не предусмотрены возможность многоканальной передачи данных, обеспечение работы модема в низкоскоростном режиме для обеспечения высокой помехоустойчивости связи в условиях неблагоприятной помеховой обстановки, в режиме установки соединения и в условиях ограниченной выделяемой полосы частот.
Техническим результатом изобретения является обеспечение работы модема в низкоскоростном режиме с кодовым расширением, при сохранении возможности передачи служебной речевой связи и управления абонентскими станциями по каналам телеметрии и управления в условиях неблагоприятной помеховой обстановки, в условиях ограниченной выделяемой полосы частот, а также в режиме установки связи, когда передача пользовательских данных с заданной скоростью невозможна, и реализация возможности многоканальной передачи пользовательских данных, служебной связи, данных телеметрии и телеуправления.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в модем для многонаправленной связи, который содержит устройство управления, передающую часть, включающую буферы LVDS передающей части, мультиплексоры передающей части, первый буфер FIFO передающей части, первый помехоустойчивый кодер, модулятор, выход которого соединен с входом полифазного фильтра, и приёмную часть, включающую буферы LVDS приёмной части, фильтр нижних частот приёмной части, буфер FIFO приёмной части, вход которого соединен с выходом мультиплексора приёмной части, первый вход которого соединен с первым выходом первого помехоустойчивого декодера, второй выход которого соединен с первым входом устройства оценки качества каналов, первый демодулятор, первый и второй выходы устройства управления соединены с первым входом модулятора и первым входом первого демодулятора соответственно, а первый вход устройства управления соединен с выходом устройства оценки качества каналов, дополнительно введены: в передающую часть цифро-аналоговый преобразователь, формирователь кадров, генератор временных интервалов, фильтр нижних частот передающей части, последовательно соединенные второй буфер FIFO передающей части, второй помехоустойчивый кодер, блок кодового расширения, блок добавления преамбулы, в приёмную часть аналого-цифровой преобразователь, согласованный фильтр, блок предварительной синхронизации, детектор межмодемной сигнализации, второй демодулятор, блок управления многоканальным режимом, второй помехоустойчивый декодер, дефреймер, демультиплексоры. При этом третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой выходы устройства управления соединены с первым входом формирователя кадров, с входом генератора временных интервалов, с вторым входом блока добавления преамбулы, с первым входом второго демодулятора, с первым входом блока управления многоканальным режимом и с первым входом дефреймера соответственно. Выходы буферов LVDS передающей части через мультиплексоры передающей части соединены с входами формирователя кадров, первый и второй выходы которого соединены с входами первого буфера FIFO передающей части и второго буфера FIFO передающей части соответственно. Второй вход формирователя кадров соединен с выходом генератора временных интервалов, выход первого буфера FIFO передающей части соединен с входом первого помехоустойчивого кодера, выход которого соединен с третьим входом блока добавления преамбулы, выход которого соединен с вторым входом модулятора. Выход полифазного фильтра соединен с входом цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен с фильтром нижних частот передающей части. Выход фильтра нижних частот приёмной части соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом согласованного фильтра, выход которого соединен с входом блока предварительной синхронизации, первый, второй и третий выходы которого соединены с вторым входом первого демодулятора, с вторым входом второго демодулятора и с входом детектора межмодемной сигнализации соответственно. Первый и второй выходы детектора межмодемной сигнализации соединены со вторым входом устройства управления и с вторым входом блока управления многоканальным режимом соответственно. Первый и второй выходы блока управления многоканальным режимом соединены со вторым входом мультиплексора приёмной части и третьим входом второго демодулятора соответственно. Первый и второй выходы второго демодулятора соединены со вторым входом устройства оценки качества каналов и входом второго помехоустойчивого декодера соответственно. Первый и второй выходы первого демодулятора соединены с третьим входом устройства оценки качества каналов и входом первого помехоустойчивого декодера соответственно. Первый и второй выходы второго помехоустойчивого декодера соединены с четвертым входом устройства оценки качества каналов и вторым входом мультиплексора приёмной части соответственно. Выход буфера FIFO приёмной части соединен со вторым входом дефреймера, выходы дефреймера соединены с первыми входами демультиплексоров, вторые входы которых соединены с выходами устройства управления. Выходы демультиплексоров соединены с входами буферов LVDS приёмной части.
Изобретение иллюстрируется чертежом, где показана структурная схема модема для многонаправленной связи.
Модем для многонаправленной связи содержит устройство управления 1, передающей части, которая включает буферы LVDS 2 передающей части, мультиплексоры 3 передающей части, формирователь кадров 4, генератор временных интервалов 5, первый буфер FIFO 6 передающей части, первый помехоустойчивый кодер 7, блок добавления преамбулы 8, второй буфер FIFO 9 передающей части, второй помехоустойчивый кодер 10, блок кодового расширения 11, модулятор 12, полифазный фильтр 13, цифро-аналоговый преобразователь 14, фильтр нижних частот 15 передающей части, и приёмной части, которая включает фильтр нижних частот 16 приёмной части, аналого-цифровой преобразователь 17, согласованный фильтр 18, блок предварительной синхронизации 19, детектор межмодемной сигнализации 20, первый демодулятор 21, второй демодулятор 22, блок управления многоканальным режимом 23, устройство оценки качества каналов 24, первый помехоустойчивый декодер 25, второй помехоустойчивый декодер 26, мультиплексор 27 приёмной части, буфер FIFO приёмной части 28, дефреймер 29, демультиплексоры 30, буферы LVDS 31 приёмной части. При этом первый и второй выходы устройства управления 1 соединены с первым входом модулятора 12 и первым входом первого демодулятора 21 соответственно, а первый вход устройства управления 1 соединен с выходом устройства оценки качества каналов 24. Третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой выходы устройства 1 управления соединены с первым входом формирователя кадров 4, с входом генератора временных интервалов 5, с вторым входом блока добавления преамбулы 8, с первым входом второго демодулятора 22, с первым входом блока управления многоканальным режимом 23 и с первым входом дефреймера 29 соответственно. Выходы буферов LVDS 2 передающей части через мультиплексоры 3 передающей части соединены с входами формирователя кадров 4, первый и второй выходы которого соединены с входами первого буфера FIFO 6 передающей части и второго буфера FIFO 9 передающей части соответственно. Последовательно соединены второй буфер FIFO 9 передающей части, второй помехоустойчивый кодер 10, блок кодового расширения 11, блок добавления преамбулы 8. Второй вход формирователя кадров 4 соединен с выходом генератора временных интервалов 5, выход первого буфера FIFO 6 передающей части соединен с входом первого помехоустойчивого кодера 7, выход которого соединен с третьим входом блока добавления преамбулы 8, выход которого соединен с вторым входом модулятора 12, выход которого соединен с входом полифазного фильтра 13. Выход полифазного фильтра 13 соединен с входом цифро-аналогового преобразователя 14, выход которого соединен с фильтром нижних частот 15 передающей части. Выход фильтра нижних частот 16 приёмной части соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 17, выход которого соединен с входом согласованного фильтра 18, выход которого соединен с входом блока предварительной синхронизации 19. Первый, второй и третий выходы блока предварительной синхронизации 19 соединены со вторым входом первого демодулятора 21, с вторым входом второго демодулятора 22 и с входом детектора межмодемной сигнализации 20 соответственно. Первый и второй выходы детектора межмодемной сигнализации 20 соединены со вторым входом устройства управления 1 и с вторым входом блока управления многоканальным режимом 23 соответственно. Первый и второй выходы блока управления многоканальным режимом 23 соединены со вторым входом мультиплексора 27 приёмной части и третьим входом второго демодулятора 22 соответственно. Первый и второй выходы второго демодулятора 22 соединены со вторым входом устройства оценки качества каналов 24 и входом второго помехоустойчивого декодера 26 соответственно. Первый и второй выходы второго помехоустойчивого декодера 26 соединены с четвертым входом устройства оценки качества каналов 24 и вторым входом мультиплексора 27 приёмной части соответственно. Первый и второй выходы первого демодулятора 21 соединены с третьим входом устройства оценки качества каналов 24 и входом первого помехоустойчивого декодера 25 соответственно. Вход буфера FIFO 28 приёмной части соединен с выходом мультиплексора 27 приёмной части, первый вход которого соединен с первым выходом первого помехоустойчивого декодера 25, второй выход которого соединен с первым входом устройства оценки качества каналов 24. Выход буфера FIFO 28 приёмной части соединен со вторым входом дефреймера 29, выходы дефреймера 29 соединены с первыми входами демультиплексоров 30, вторые входы которых соединены с выходами устройства управления 1. Выходы демультиплексоров 30 соединены с входами буферов LVDS 31 приёмной части. В модеме для многонаправленной связи узлы (за исключением цифро-аналогового преобразователя 14, фильтром нижних частот 15 передающей части, фильтра нижних частот 16 приёмной части, аналого-цифрового преобразователя 17) реализованы программно, что даёт возможность введения, например новых режимов модуляции и кодирования, работы в многоканальном и одноканальном режимах, в качестве базовой либо абонентской станции, а также оперативно менять конфигурацию устройства, в зависимости от требований и задач, поставленных сети радиосвязи, в которой будет применен описываемый модем.
Модем для многонаправленной связи работает следующим образом.
Во время установления соединения с новыми абонентами по команде оператора через устройство управления 1 связь устанавливается в низкоскоростном режиме. На вход модема в виде электрических сигналов в формате LVDS от абонентов поступает поток данных КСС и канала ТУ-ТС для каждого абонента по отдельному каналу. При передачи пользовательских данных от абонентов связь устанавливается в высокоскоростном режиме, и от абонентов по каждому отдельному каналу поступает поток пользовательских данных по информационным каналам, а также данных КСС и ТУ-ТС. В соответствующих каждому каналу буферах LVDS 1 выполняется их преобразование в цифровую форму. Затем эти данные в цифровой форме подаются на соответствующие каждому каналу мультиплексоры 3, где мультиплексируются в групповой поток и поступают на формирователь кадров 4. Формирователь кадров 4 по сигналу от генератора временных интервалов 5, в соответствии с внутренним счётчиком каналов по более раннему номеру в очереди выбирает один из мультиплексоров 3, из которого вычитывает данные и формирует из них блоки данных, размер которых соответствует низкоскоростному или высокоскоростному режиму работы выбранного канала. В формирователь кадров 4 с устройства управления 1 поступает служебная информация о канале, в том числе уникальный идентификатор абонента, информация о качестве и задержке в линии, которая добавляется в блок данных. Сформированный таким образом блок данных при низкоскоростном режиме передается в буфер FIFO 9, где происходит согласование скорости формирователя кадров 4 и скорости второго помехоустойчивого кодера 10, при высокоскоростном режиме поступает в буфер FIFO 6, где, соответственно, происходит согласование скорости формирователя кадров 4 и скорости первого помехоустойчивого кодера 7. Во втором помехоустойчивом кодере 10 осуществляется кодирование передаваемого блока данных большой избыточностью, что обеспечивает высокую помехоустойчивость радиообмена. Затем блок данных с второго помехоустойчивого кодера 26 поступает в блок кодового расширения 11, где поток бит данных разбивается на группы из М бит, после чего кодируется последовательностями Уолша, повторяется L раз и скремблируется. В первом помехоустойчивом кодере 7 осуществляется кодирование передаваемого блока данных с малой избыточностью. Полученная расширенная кодовая последовательность от второго помехоустойчивого кодера 10 и кодированные блоки данных от первого помехоустойчивого кодера 7 поступают на блок добавления преамбулы 8, куда с устройства управления 1 приходит информация о низкоскоростном или высокоскоростном режиме работы канала и типе модуляции, в соответствии с которым добавляется преамбула, специальным образом закодированная с помощью последовательностей Уолша. Затем поток данных поступает на модулятор 12, куда с устройства управления 1 приходит информация о типе модуляции в зависимости от скорости канала. Модулятор 12 формирует 2 потока квадратур, изменяющихся с заданной частотой, определяющей ширину спектра сигнала. С выхода модулятора два потока квадратур поступают на полифазный фильтр 13 с характеристикой корень квадратный из приподнятого косинуса, где происходит фильтрация и интерполяция отсчётов данных до частоты семплирования цифро-аналогового преобразователя 14, которые затем поступают на цифро-аналоговый преобразователь 14, где данные из цифровой преобразуются в аналоговую форму. В фильтре нижних частот 15 передающей части происходит фильтрация побочных составляющих спектра сигнала, получаемых при преобразовании цифрового сигнала в аналоговый, откуда данные поступают на антенну.
При приёме сигналы от антенны поступают на фильтр нижних частот приёмной части, откуда поступают на аналого-цифровой преобразователь 17, где из аналоговой формы данные преобразуются в цифровую, и поступают на согласованный фильтр 18 с характеристикой корень квадратный из приподнятого косинуса. После согласованного фильтра 18 данные поступают в блок предварительной синхронизации 19, где производится корреляция принимаемого сигнала с известной последовательностью, находящейся в его памяти. Момент начала пакета данных определяется пороговым детектором блока предварительной синхронизации 19, срабатывающим на корреляционный пик, превышающий заданное пороговое значение. Порог срабатывания задается адаптивно, в зависимости от качества сигнала. Из блока предварительной синхронизации 19 данные вместе с сигналом начала пакета поступает на детектор межмодемной сигнализации 20, где определяется тип принимаемого сигнала (низкоскоростной или высокоскоростной). Затем сигнал поступает на блок управления многоканальным режимом 23, где формируются управляющие импульсы, которые поступают при низкоскоростном режиме на второй демодулятор 22, при высокоскоростном режиме на первый демодулятор 21, а также сигналы на переключение в зависимости от режима работы канала поступает на мультиплексор 27. В первом демодуляторе 21 осуществляется частотная и временная синхронизация данных, оценивается и компенсируется отстройка опорного генератора и частоты несущей приёмной части относительно передающей части, обеспечивая когерентный приём сигнала. В первом декодере 25 осуществляется установление кадровой синхронизации и декодирование помехоустойчивого кода. Во втором демодуляторе 22 осуществляется символьная синхронизация, дескремблирование, сужение спектра предварительно выравненного относительно начала кадра сигнала, затем выделяется битовая последовательность, которая поступает в второй помехоустойчивый декодер 26, где осуществляется установление кадровой синхронизации и декодирование помехоустойчивого кода в соответствии с низкоскоростным режимом. Данные после декодирования с первого помехоустойчивого декодера 25 или со второго помехоустойчивого декодера 26 подаются на мультиплексор приёмной части 27 и на устройство оценки качества канала 24. Устройство оценки качества канала 24 в зависимости от метрик канала, поступающих с первого демодулятора 21 или второго демодулятора 22, и статистики коррекции ошибок, поступающей с первого помехоустойчивого декодера 25 или со второго помехоустойчивого декодера 26 соответственно, формирует оценку качества канала, которая затем передается на устройство управления 1. Мультиплексор приёмной части 27 выбирает поток данных в соответствии с информацией от блока управления многоканальным режимом 23 и формирует групповой поток. От мультиплексора приёмной части групповой поток поступает на буфер FIFO приёмной части 28, где происходит согласование скорости демодулирующей и мультиплексной частей модема. Из буфера FIFO приёмной части 28 данные поступают на дефреймер 29, где по уникальному идентификатору абонента, информация о котором поступила от устройства управления 1, определяет принадлежность абонента каналу и записывает поступающий групповой поток на выделенный, в зависимости от номера очереди, канал. Далее групповой поток в зависимости от номера канала поступает на один из демультиплексоров 30, где разделяется на информацию КСС и ТУ-ТС при низкоскоростном режиме или на пользовательскую информацию и информацию КСС, ТУ-ТС при высокоскоростном режиме. Информация поступает на один из буферов LVDS 31, где данные преобразовываются в формат LVDS и передаются абоненту. Устройство управления 1 на основании данных о качестве каналов, а также командной информации с внешнего управления осуществляет обмен между модемом и внешними устройствами, записывая командную информацию, а также информацию, содержащую текущее состояние модема, тем самым управляя работой его основными параметрами.