СТАРТСТОПНАЯ СИСТЕМА СВЯЗИ
START-STOP COMMUNICATION SYSTEM

Изобретение относится к электро- и радиосвязи и может использоваться в проводных, радио-, радиорелейных и космических системах связи.
Известна стартстопная система связи (З.М.Каневский, В.И.Ледовских «Передача дискретных сообщений по каналам с обратной связью с прерываниями», «Электросвязь», 1970, №8, с.6-8), в которой перед посылкой сообщения передается «зондирующий ключ», представляющий собой амплитудно-манипулированный сигнал, состоящий из нескольких элементов. Однако эта система предназначена специально для каналов с прерываниями (замирающих каналов), имеет низкую помехоустойчивость в общем случае и большой уровень вероятности ложной тревоги.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является стартстопная система связи, приведенная в [1], принятая за прототип.
Функциональная схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где обозначено
на передающей стороне:
1 - источник информации;
2 - блок формирования сигналов (БФС);
3 - регистр сдвига;
6 - мультиплексор;
7 - манипулятор;
8 - первый генератор тактовых импульсов (ГТИ);
9 - генератор псевдослучайной последовательности (ГПСП);
10 - ключ;
12 - передатчик;
13 - генератор;
18 - перемножитель;
51 - двоичный счетчик;
на приемной стороне:
15 - приемник;
23 - блок обработки сигналов (БОС);
36 - синхроблок;
37 - второй генератор тактовых импульсов;
41 - линия задержки;
50 - линия связи;
52 - согласованный фильтр;
53 - демодулятор;
54 - запоминающий блок.
Устройство-прототип содержит на передающей стороне источник информации 1, БФС 2, передатчик 12 и генератор 13, причем БФС 2 состоит из последовательно соединенных регистра сдвига 3, мультиплексора 6 и манипулятора 7, а также из последовательно соединенных первого ГТИ 8, ГПСП 9, перемножителя 18 и двоичного счетчика 51, а также ключа 10, выход которого соединен с сигнальным входом манипулятора 7; второй выход ГТИ 8 соединен с тактовым входом регистра сдвига 3, а его третий выход - со вторыми входами ГПСП 9 и перемножителя 18, выход перемножителя 18 подключен к управляющим входам блоков 7 и 10; первый выход ГТИ 8 соединен также с установочным входом двоичного счетчика 51, выходы которого соединены шиной с управляющими входами мультиплексора 6, при этом вход регистра сдвига 3 является информационным входом БФС 2, который соединен с информационным выходом источника информации 1, вход ГТИ 8 является синхронизирующим входом БФС 2 и подключен к синхровыходу источника информации 1, выход манипулятора 7 является выходом БФС 2 и соединен со входом передатчика 12, вход ключа 10 является сигнальным входом БФС 2 и подключен к выходу генератора 13; на приемной стороне - приемник 15 и БОС 23, состоящий из последовательно соединенных согласованного фильтра 52, синхроблока 36, демодулятора 53 и запоминающего блока 54, выход которого является выходом БОС 23, а также второго ГТИ 37, вход которого соединен с выходом синхроблока 36, первый выход подключен ко второму входу запоминающего блока 54, а второй выход - к соответствующему входу демодулятора 53 и запоминающего блока 54; кроме того, выход согласованного фильтра 52 через линию задержки 41 соединен с третьим входом демодулятора 53; передающая и приемная стороны соединены посредством линии связи 50. (Здесь в устройстве 36 - синхроблоке - объединены блоки 14, 15, 16, 17, 18 и 19 устройства-прототипа [1]).
Устройство-прототип работает следующим образом.
В случайный момент времени на выходе источника информации 1 создаются К информационных символов («0» или «1») длительности τ.
При t=0 на втором выходе генератора тактовых импульсов 8 формируются m тактовых импульсов, равное числу элементов псевдослучайной последовательности (ПСП), которые записывают информационные символы в регистре сдвига 3, на его первом выходе создается короткий импульс, по переднему фронту которого производится начальная установка генератора псевдослучайной последовательности 9 и установка всех разрядов двоичного счетчика 51 в единичное состояние, а на третьем выходе - меандр, состоящий из (m+1+S) импульсов длительности τ/2 (где S - количество переходов уровня ПСП из положительного в отрицательное значение), который в блоке 18 перемножается с псевдослучайной последовательностью той же длины, поступающей с выхода генератора 9.
Положительная часть результирующего сигнала, поступающая с выхода блока 18, используется для управления работой блоков 51, 7 и ключа 10. В момент действия переднего фронта его первого импульса блок 51 устанавливается в нулевое состояние, открывается ключ 10, который пропускает колебания несущей частоты генератора 13 в блок 7, а с выхода мультиплексора 6 на вход блока 7 поступает нулевой сигнал. В результате этого на выходе блока 7 формируются колебания несущей частоты с произвольной начальной фазой в течение интервала времени τ/2. При поступлении второго положительного фронта сигнала в счетчике 51 устанавливается двоичное число, равное единице, и мультиплексор 6 считывает из регистра сдвига 3 значение первого информационного символа. При этом начальная фаза несущей частоты на выходе блока 7 остается прежней, если первый символ имеет значение единицы, и изменяется на противоположную - в противном случае. Таким образом, на выходе блока 7 создается относительно фазоманипулированный сигнал длительности Т, в котором первый радиоимпульс информации не несет, а служит опорным для второго уже информационного радиоимпульса.
На приемной стороне относительно фазоманипулированный сигнал после общей фильтрации в приемнике 15 и согласованной - в фильтре 52 для одиночного радиоимпульса длительности τ/2 поступает на синхроблок 36, на выходе которого формируется короткий импульс в момент времени, соответствующий моменту окончания сигнала при приеме Т.
В блоке 53 осуществляется демодуляция поступающего с выхода фильтра 52 и задержанного в линии задержки 41 на время Т сигнала. Если соседние радиоимпульсы имеют одинаковые начальные фазы, то на его выходе формируется символ «1», в противном случае - «0». Начало работы блока 53 определяет импульс, поступающий с синхроблока 36, а моменты сравнения фаз соседних радиоимпульсов - передние фронты импульсов, поступающих со второго выхода генератора 37. По задним фронтам этих импульсов выносится решение о приеме символов и фиксация их в запоминающем блоке 54. Считывание информации с блока 54 на выход системы осуществляется импульсами, поступающими со второго выхода генератора 37.
Недостатками устройства-прототипа являются низкие вероятности правильного приема ПСП и информации, невозможность обнаружения ошибок при приеме информации, а также отсутствие при приеме автоматической регулировки усиления, что не позволяет использовать систему при достаточно больших уровнях принимаемого сигнала.
Для устранения указанных недостатков в стартстопную систему связи, содержащую на передающей стороне последовательно соединенные источник информации и блок формирования сигналов, а также передатчик, и генератор, причем блок формирования сигналов включает в себя регистр сдвига, вход которого является первым входом блока формирования сигналов, последовательно соединенные мультиплексор и манипулятор, последовательно соединенные первый генератор тактовых импульсов и генератор псевдослучайной последовательности, а также ключ, выход которого соединен с сигнальным входом манипулятора, выход которого является выходом блока формирования сигналов, тактовый вход регистра сдвига соединен со вторым выходом первого генератора тактовых импульсов, вход которого является синхронизирующим входом блока формирования сигналов и соединен с синхровыходом источника информации, первый вход ключа является сигнальным входом блока формирования сигналов и подключен к выходу генератора; на приемной стороне - приемник, первый перемножитель и блок обработки сигнала, который включает в себя последовательно соединенные синхроблок и второй генератор тактовых импульсов, а также первую линию задержки, при этом выход передатчика через линию связи подключен к входу приемника, согласно изобретению, дополнительно введены на передающей стороне у первого генератора тактовых импульсов четвертый выход и второй вход; манипулятор выполнен в виде фазового манипулятора, а генератор - генератором промежуточной частоты 13, кроме того, последовательно соединенные кодирующее устройство и устройство перекодирования, выход которого подсоединен к первому входу мультиплексора, выход регистра сдвига соединен с входом кодирующего устройства, а также первый смеситель, вход которого подсоединен к выходу блока формирования сигналов, а выход - к входу передатчика, и синтезатор частоты, вход которого подключен к выходу генератора промежуточной частоты, а выход - ко второму входу смесителя, причем тактовый вход кодирующего устройства подсоединен ко второму выходу генератора тактовых импульсов, третий выход которого соединен с управляющим входом мультиплексора, второй вход которого соединен с выходом генератора псевдослучайных сигналов, а четвертый выход генератора тактовых импульсов - к управляющему входу ключа, вход которого соединен со вторым входом генератора тактовых импульсов, на приемной стороне - последовательно соединенные второй смеситель и управляемый усилитель, причем первый вход второго смесителя подключен к выходу приемника, первый фильтр нижних частот, вход которого подключен к выходу первого перемножителя; последовательно соединенные второй перемножитель и второй фильтр нижних частот, причем первые входы первого и второго перемножителей объединены и подключены к выходу управляемого усилителя, а также фазовращатель, первый и второй выходы которого подключены ко вторым входам соответственно первого и второго перемножителей; последовательно соединенные второй генератор промежуточной частоты и второй синтезатор частоты, выход которого подключен ко второму входу второго смесителя, третий генератор тактовых импульсов, вход которого объединен с входом фазовращателя и подключен к выходу второго генератора промежуточной частоты; в блок обработки сигнала введены дополнительные второй и третий входы и второй выход, а также последовательно соединенные первый аналого-цифровой преобразователь, первый нелинейный элемент, первый сумматор, третий фильтр нижних частот, логарифмический каскад, интегрирующее звено и цифро-аналоговый преобразователь, выход которого является вторым выходом блока обработки сигнала и подсоединен ко второму входу управляемого усилителя, последовательно соединенные второй аналого-цифровой преобразователь и второй нелинейный элемент, выход которого подключен ко второму входу первого сумматора, причем первые входы первого и второго аналого-цифровых преобразователей являются соответственно первым и вторым входами блока обработки сигнала; кроме того, последовательно соединенные первый видеонакопитель, третий нелинейный элемент и второй сумматор, последовательно соединенные второй видеонакопитель и четвертый нелинейный элемент, выход которого подключен ко второму входу второго сумматора, причем входы первого и второго видеонакопителей соединены с первыми входами соответственно первого и второго аналого-цифровых пребразователей, а выход второго сумматора подключен к входу синхроблока, последовательно соединенные третий перемножитель, третий сумматор, решающее устройство и декодирующее устройство, выход которого является первым выходом блока обработки сигнала и выходом системы, второй вход декодирующего устройства подключен к первому выходу второго генератора тактовых импульсов, второй выход которого соединен со вторым входом решающего устройства, последовательно соединенные вторая линия задержки и четвертый перемножитель, выход которого соединен со вторым входом третьего сумматора, при этом первый вход третьего перемножителя подсоединен к выходу первой линии задержки, первый и второй входы блока обработки сигнала подключены соответственно к выходам первого и второго фильтров нижних частот, входы первой и второй линий задержки соединены соответственно с первыми входами первого и второго аналого-цифровых преобразователей, второй вход первого аналого-цифрового преобразователя соединен со вторыми входами второго аналого-цифрового преобразователя и цифро-аналогового преобразователя и является третьим входом блока обработки сигнала, который соединен с выходом третьего генератора тактовых импульсов; вторые входы третьего и четвертого перемножителей подключены к входам соответственно первой и второй линий задержки.
На фиг.2 а и 2 б приведены функциональные схемы соответственно передающей и приемной частей заявляемого устройства, где обозначено:
на передающей стороне (фиг.2 а):
1 - источник информации; 2 - блок формирования сигналов (БФС);
3 - регистр сдвига (PC); 4 - кодирующее устройство (КУ); 5 - устройство перекодирования (УП); 6 - мультиплексор; 7 - фазовый манипулятор (ФМ); 8 - первый ГТИ; 9 - генератор псевдослучайной последовательности (ГПСП); 10 - ключ; 11 - первый смеситель; 12 - передатчик; 13 - первый генератор промежуточной частоты (ГПЧ); 14 - первый синтезатор частоты; 50 - линия связи;
на приемной стороне (фиг.2 б):
15 - приемник; 16 - второй смеситель; 17 - управляемый усилитель (УУ); 18 и 20 - первый и второй перемножители; 19 и 21 - первый и второй фильтры нижних частот (ФНЧ); 22 - фазовращатель; 23 - блок обработки сигнала (БОС); 24 и 31 - первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП); 25 и 32 - первый и второй нелинейные элементы (НЭ); 26 - первый сумматор; 27 - третий ФНЧ; 28 - логарифмический каскад (ЛК); 29 - интегрирующее звено (ИЗ); 30 - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП); 33 и 39 - первый и второй видеонакопители; 34 и 40 - третий и четвертый нелинейные элементы (НЭ); 35 - второй сумматор; 36 - синхроблок; 37 - второй ГТИ; 38 - декодирующее устройство (ДУ); 41 и 45 - первая и вторая линии задержки (ЛЗ); 42 и 46 - третий и четвертый перемножители; 43 - третий сумматор; 44 - решающее устройство (РУ); 47 - второй ГПЧ; 48 - второй синтезатор частоты; 49 - третий ГТИ.
Заявляемое устройство состоит из передающей и приемной стороны.
На передающей стороне содержит последовательно соединенные источник информации 1 и БФС 2, первый смеситель 11 и передатчик 12, выход которого соединен с входом линии связи 50, последовательно соединенные первый ГПЧ 13 и первый синтезатор частоты 14, выход которого соединен со вторым входом первого смесителя 11. При этом БФС 2 содержит последовательно соединенные PC 3, кодирующее устройство 4, устройство перекодирования 5, мультиплексор 6 и фазовый манипулятор 7, выход которого является выходом БФС 2. Кроме того, последовательно соединенные первый ГТИ 8 и ГПСП 9, выход которого соединен со вторым входом мультиплексора 6, третий и четвертый выходы первого ГТИ 8 соединены соответственно с управляющими входами мультиплексора 6 и ключа 10, выход которого соединен со вторым входом фазового манипулятора 7. Сигнальный вход ключа 10 объединен со вторым входом ГТИ 8, является сигнальным входом БФС 2 и соединен с выходом первого ГПЧ 13. Первый вход первого ГТИ 8 является синхронизирующим входом БФС 2 и соединен с синхровыходом источника информации 1. Вход PC 3 является входом БФС 2.
На приемной стороне содержит последовательно соединенные приемник 15, второй смеситель 16, управляемый усилитель 17, первый перемножитель 18 и первый ФНЧ 19, последовательно соединенные перемножитель 20 и второй ФНЧ 21, при этом выходы первого ФНЧ 19 и второго ФНЧ 21 подключены соответственно к первому и второму входам БОС 23. Кроме того, первый и второй выходы фазовращателя 22 соединены со вторыми входами соответственно первого 18 и второго 20 перемножителей. Выход управляемого усилителя соединен с первым входом второго перемножителя 20. Вход фазовращателя 22 соединен с выходом второго ГПЧ 47 и входами третьего ГТИ 49 и второго синтезатора 48, выход которого соединен со вторым входом второго смесителя 16. Выход третьего ГТИ 49 соединен с третьим входом БОС 23.
БОС 23 содержит последовательно соединенные первый АЦП 24, первый НЭ 25, первый сумматор 26, третий ФНЧ 27, логарифмический каскад 28, интегрирующее звено 29 и ЦАП 30, выход которого подключен к управляющему выходу УУ 17 и является вторым выходом БОС 23. Кроме того, последовательно соединенные второй АЦП 31 и второй НЭ 32, выход которого подключен ко второму входу сумматора 26, первые входы АЦП 24 и АЦП 31 являются первым и вторым входами БОС 23 соответственно. При этом тактовый вход первого АЦП 24 объединен с тактовыми входами второго АЦП 31 и ЦАП 30 и является третьим входом БОС 23. Входы первого 24 и второго 31 АЦП являются соответственно первым и вторым входами БОС 23. Последовательно соединенные первый видеонакопитель 33, третий НЭ 34, второй сумматор 35, синхроблок 36, второй ГТИ 37 и декодирующее устройство 38, выход которого является первым выходом БФС 23 и выходом всей системы. Последовательно соединенные второй видеонакопитель 39 и четвертый НЭ 40, выход которого соединен со вторым входом второго сумматора 35. При этом входы первого 33 и второго 39 видеонакопителей подсоединены соответственно к первым входам первого 24 и второго 31 АЦП. Последовательно соединенные первую линию задержки ЛЗ 41, перемножитель 42, третий сумматор 43 и решающее устройство 44, выход которого соединен со вторым входом декодирующего устройства 38, и последовательно соединенные вторую ЛЗ 45 и четвертый перемножитель 46, выход которого подсоединен ко второму входу третьего сумматора 43, причем вход ЛЗ 41 объединен со вторым входом перемножителя 42 и первым входом первого АЦП 24, а вход ЛЗ 45 соединен со вторым входом перемножителя 46 и первым входом второго АЦП31.
Передающая и приемная стороны устройства соединены посредством линии связи ЛС 50.
Стартстопная система связи работает следующим образом. В случайный момент времени, например, (t=0) на выходе источника 1 создается k информационных символов («0» или «1») длительности τ.
H
П
Н
П
П
В этот же момент времени на первом выходе ГТИ 8 формируются m тактовых импульсов с периодом следования τ, равное числу элементов псевдослучайной последовательности (ПСП), полученные путем деления промежуточной частоты ГПЧ 13 в определенное число раз, которые считывают записанную в момент включения аппаратуры в ГСПС 9 m-разрядную двоичную ПСП на второй вход мультиплексора 6. На втором выходе ГТИ 8 формируются (m+n) тактовых импульсов, которые с задержкой на m тактов считывают информационные символы на вход КУ 4, представляющего собой формирователь обнаруживающего ошибки систематического (n, k) кода (где n - длина кода). После перекодировки полученной двоичной последовательности в УП 5 (см. принцип работы на с.163,164 в книге П.И.Пенина «Системы передачи информации». Сов. Радио, 1976 г.), она поступает на первый вход мультиплексора 6, на управляющий вход которого с третьего выхода ГТИ 8 поступает сначала положительный импульс длительности m·τ, пропускающий ПСП на выход мультиплексора 6, а затем сигнал с нулевым уровнем, пропускающий n-элементный код. На второй вход ФМ 7 при открытом ключе 10 поступает промежуточная частота, в результате этого на выходе ФМ 7 сначала формируется фазоманипулированный по закону ПСП сигнал (синхросигнал), а затем информационный сигнал с относительной фазовой манипуляцией. После окончания последнего ключ 10 закрывается. Синтезатор частоты 14, соединенный с ГПЧ 13, создает на выходе сигнал с частотой, равной разности несущей и промежуточной частот (f-f). В результате этого на выходе смесителя 11 будут присутствовать проманипулированные сигналы на несущей частоте. Эти сигналы профильтровываются и усиливаются в передатчике 12 и по линии связи 50 поступают на вход приемника 15, в котором осуществляется его общая фильтрация. В смесителе 16 с помощью сигнала, поступающего с выхода синтезатора частоты 48 с частотой (f-f), частота выходного сигнала приемника 15 понижается до промежуточной частоты f и полученный сигнал через управляемый усилитель 17 поступает на вход схемы с номерами блоков 18-22, 24-26 и 31-32, где блоки 24-26 и 31-32 выполнены в цифровом виде, а НЭ 25 и НЭ 32 могут иметь квадратические характеристики, или вычислять модульные значения входных сигналов, фазовращатель 22 пропускает сигнал промежуточной частоты с выхода ГПЧ 47 на второй вход блока 18, а на второй вход блока 20 - со сдвигом по фазе на π/2, а ГТИ 49 создает тактовые импульсы с периодом следования τ/4, необходимые для работы АЦП 24, АЦП 31 и ЦАП 30. Указанная совокупность блоков представляет собой известный оптимальный приемник и позволяет выделить огибающую входного сигнала (см., например, с.44 в книге под ред. Ю.М.Казаринова « Радиотехнические системы », Высш. шк., 1990 г.).
Огибающая полученного сигнала после фильтрации в ФНЧ 27 и прохождения через блок 28 с логарифмической характеристикой и интегрирующее звено 29 преобразуются в ЦАП 30 в аналоговый сигнал, который поступает на управляющий вход УУ17 и позволяет осуществить автоматическую регулировку усиления с глубиной 60 дБ.
Блоки 33 и 39 предназначены для оптимального накопления двухполярных выходных сигналов ФНЧ 19 и ФНЧ 21, а НЭ 34 и НЭ 40 имеют квадратические характеристики или позволяют вычислить модульные значения входных сигналов, в результате суммирование их выходных сигналов позволяет получить автокорреляционную функцию (АКФ) используемой ПСП. По абсциссе ее максимума в синхроблоке 36 формируется короткий импульс, соответствующий по времени моменту окончания ПСП при приеме.
Схема, включающая в себя блоки 41, 42, 43 и 45, 46 вместе с блоками с 18 по 22 и блоком 47 представляет собой схему оптимального некогерентного приема относительно фазово-манипулированных сигналов (см., например, с.17 в книге А.М.Заездного и др. «Фазоразностная модуляция». Связь, 1967 г.) и позволяет получить после вынесения решения в РУ 44 n символов кода. Вынесение решения производится по знаку сигнала на первом входе РУ 44 в момент действия n коротких тактовых импульсов с периодом следования τ, действующих на втором выходе ГТИ 37 и задержанных относительно его входного импульса на время τ.
Декодирование кода происходит в декодирующем устройстве 38 в момент действия (2n-1) коротких импульсов, поступающих с первого выхода ГТИ 37, первый из которых задержан на время Т относительно его входного импульса. При отсутствии помех при приеме на выходе ДУ 38 создается k информационных символов. При наличии помех и обнаружении ошибки при приеме на выходе ДУ 38 создается специальный сигнал ошибки, который при наличии обратного канала позволяет повторить передачу информации.
В отличие от устройства-прототипа в заявляемом устройстве для передачи ПСП используется не амплитудная, а фазовая модуляция, обладающая значительно более высокой помехоустойчивостью, применяется автоматическая регулировка усиления при приеме и вместо неоптимального метода сравнения фаз при приеме информационного сигнала используется оптимальный.
Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет повысить помехоустойчивость приема ПСП и информационного сигнала, обнаружить ошибки при наличии помех и обеспечить прием сигналов с достаточно высоким уровнем.
Все блоки, входящие в устройство, являются известными. Синтезатор частоты может быть выполнен на микросхеме LMX2306 (см. www.national.com), второй смеситель вместе с управляемым усилителем - на микросхеме AD607 (см. www.analog.com), фазовращатель вместе с первым и вторым перемножителем на микросхеме U2793 (см. www.atmel.com).
Блок формирования сигналов 2 на передающей стороне и блок обработки сигналов 23 на приемной стороне могут быть реализованы в цифровом виде, на определенном типе контроллера, что позволит уменьшить габариты и энергопотребление устройства.
Источники информации
1. Патент РФ №2168867, Н04L 25/00.