ИМИТАТОР УКВ РАДИОКАНАЛА

Предлагаемое устройство относится к области радиотехники: тестирования приемных и передающих устройств и конкретно к вопросам моделирования канала радиосвязи.
Известны имитаторы радиоканалов, содержащие в своей структуре имитатор многолучевого распространения, имитатор эффекта Доплера, имитатор затухания сигнала. Так в заявке US 20030088390 от 08.05.2003 г. рассматривается имитатор многолучевого распространения, но он обладает недостатком - ограничен одним видом имитируемого влияния и не имеет возможности моделирования других воздействий на полезный сигнал при распространении в атмосфере.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является имитатор высокочастотного канала по патенту US 6058261 от 02.05.2000 г.
Для более удобного рассмотрения заявляемого технического решения укрупним блок-схему устройства-прототипа. Укрупненная схема приведена на фигуре 1, где введены следующие обозначения:
1.1 - управляемый аттенюатор;
2 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
4 - имитатор канала с многолучевым распространением (ИКМ);
6.1 - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП);
11, 14 - входной и выходной смесители;
12 - опорный генератор;
13 - опорный генератор со сдвигом.
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные входной смеситель 11, управляемый аттенюатор 1.1, аналого-цифровой преобразователь 2, имитатор канала с многолучевым распространением 4, цифро-аналоговый преобразователь 6.1 и выходной смеситель 14, выход которого является выходом устройства. Кроме того, первый выход опорного генератора 12 подсоединен ко второму входу входного смесителя 11, а второй выход опорного генератора 1.2 через опорный генератор со сдвигом 13 соединен со вторым входом выходного смесителя 14. При этом первый вход смесителя 11 является входом устройства.
На фиг. 3 приведена схема имитатора канала с многолучевым распространением 4, где обозначено:
4.1 - N элементов задержки; 4.2 - N умножителей; 4.3 - сумматор.
Устройство-прототип работает следующим образом.
O
N
O
N
Сигнал высокой частоты переносится на низкую частоту посредством входного смесителя 11, на входы которого поступают входной сигнал высокой частоты и сигнал с опорного генератора 12, а на выходе смесителя 11 получается сигнал разностной частоты этих двух сигналов. Далее полученный сигнал проходит через управляемый аттенюатор 1.1 на АЦП 2 и уже в цифровом виде поступает на ИКМ 4, который реализован в виде фильтра с конечной импульсной характеристикой (КИХ). Как показано на фиг. 3, ИКМ 4 состоит из цепочки N единичных элементов задержки 4.1, в каждой из которых сигнал задержан на одну единичную задержку τ. Многолучевое распространение реализовано суммой задержанных сигналов с различными весовыми коэффициентами a-a в умножителях 4.2 и сумматоре 4.3. Выход данного фильтра представляет собой сумму входного сигнала с разными величинами задержки и весовыми коэффициентами a-a. Полученный сигнал поступает на ЦАП 6.1 и далее на выходной смеситель 14, на второй вход которого приходит сигнал с опорного генератора со сдвигом 13, таким образом, сигнал возвращается на требуемую частоту и поступает на выход устройства.
Недостатком устройства-прототипа является то. что оно может использоваться только для имитации многолучевого распространения и только с определенными задержками, т.е. имеет ограниченные функциональные возможности.
Задача предлагаемого устройства - расширение функциональных возможностей устройства за счет создания различных условий среды при распространении радиосигнала.
Для решения поставленной задачи в имитатор УКВ радиоканала, содержащий первый управляемый аттенюатор, последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП), имитатор канала с многолучевым распространением (ИКМ) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), согласно полезной модели, введены (N-1) управляемых входных аттенюаторов, выходы которых соединены с соответствующими входами первого сумматора, выход которого подключен к соответствующему входу второго сумматора, выход которого соединен с входом разветвителя, k выходов которого соединены с входами соответствующих выходных управляемых аттенюаторов, выходы которых являются k выходами устройства, кроме того, выход первого входного управляемого аттенюатора подключен к входу ключа, первый выход которого соединен с входом АЦП, а второй выход - к соответствующему входу первого сумматора, выход каждого из m цифрового генератора шума (ЦГШ) соединен с входом каждого со второго по s цифро-аналогового преобразователя соответственно, выходы с первого по s ЦАП соединены с соответствующими входами второго сумматора, при этом вторые входы АЦП, ИКМ и ЦАП и входы ЦГШ являются входами тактовых импульсов; входы N входных управляемых аттенюаторов являются входами устройства.
Поставленная задача достигается комбинацией аналоговой и цифровой форм обработки радиосигнала.
Перечень фигур, поясняющих описание устройства: фиг. 1 - укрупненная схема устройства-прототипа; фиг. 2 - блок-схема предлагаемого устройства; фиг. 3 - схема имитатора канала с многолучевым распространением; фиг. 4 - спектральная плотность мощности ЛЧМ сигнала; фиг. 5 - условное графическое представление имитатора.
Схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 2, где обозначено:
1.1…1.N - входные управляемые аттенюаторы;
2 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
3, 7 - первый и второй сумматоры;
4 - имитатор канала с многолучевым распространением (ИКМ);
5.1…5.m - цифровые генераторы шума (ЦГШ);
6.1…6s - цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП);
8 - разветвитель;
9.1…9.k - выходные управляемые аттенюаторы;
10 - ключ.
Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные входной управляемый аттенюатор 1.1, ключ 10, АЦП 2, ИКМ 4, ЦАП 6.1, второй сумматор 7 и разветвитель 8, выходы которого соединены с входами соответствующих выходных аттенюаторов 9.1…9.k, выходы которых являются выходами устройства. Выходы входных управляемых аттенюаторов 1.2…1.N соединены с соответствующими входами первого сумматора 3, выход которого подключен к соответствующему входу второго сумматора У. Кроме того, выход каждого цифрового генератора шума с 5.1 по 5.m подключен к входу каждого с 6.2 по 6.s ЦАП соответственно, выходы которых соединены с соответствующими входами второго сумматора 7. Вторые входы АЦП 2, ИКМ 4 и ЦАП 6.1…6.s и входы цифровых генераторов шума 5.1…5.m являются входами для тактовых импульсов. При этом второй выход ключа подсоединен к соответствующему входу первого сумматора 3. Входы входных управляемых аттенюаторов 1.1…1.N являются N входами устройства.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Сигнал от внешнего устройства поступает на входной управляемый аттенюатор 1.1, в структуру которого входит фиксированный аттенюатор на 40 дБ и перестраиваемый аттенюатор от 0 дБ до 60 дБ с шагом 0,25 дБ (на фиг. 2 не показаны). Таким образом, общий диапазон ослабления сигнала составляет от 40 дБ до 100 дБ. Использование фиксированного аттенюатора позволяет предотвратить появление таких нежелательных искажений входного сигнала, как ограничение уровня входного сигнала (блокирование) и интермодуляции. Сигнал с выхода управляемого аттенюатора 1.1 поступает на вход ключа на два положения 10, и в зависимости от положения ключа далее сигнал может идти или на первый выход ключа и далее на вход АЦП 2, или на второй выход ключа и далее на вход сумматора 3. С выхода АЦП 2 уже цифровой сигнал поступает на вход ИКМ 4. Имитация многолучевого распространения реализуется также, как и в устройстве-прототипе. Сигнал с выхода ИКМ 4 поступает на ЦАП 6.1, с выхода которого поступает на соответствующий вход сумматора 7. Параллельно ИКМ 4 включены ЦГШ 5.1…5.m. В качестве цифрового генератора шумового сигнала 5.1…5.m возможно использовать, например, генератор сигнала с линейной частотной модуляцией в связи с тем, что вид спектральной плотности мощности и автокорреляционная функция сигнала с линейной частотной модуляцией схожи с таковыми у ограниченного по полосе белого гауссовского шума. Пример спектральной плотности мощности сигнала с линейной частотной модуляцией приведен на фигуре 4. Кроме того, в ЦГШ возможно формирование других видов шума. Сформированные шумовые сигналы поступают на входы ЦАП 6.2…6.s, и полученные аналоговые сигналы подаются на входы второго сумматора 7.
С входов 2…N через соответствующие управляемые аттенюаторы 1.2…1.N сигналы поступают на входы первого сумматора 3 и далее - на вход второго сумматора 7. Суммарный сигнал подается на вход разветвителя 8, где разделяется на требуемое число к каналов, эти сигналы с выходов разветвителя 8 через выходные управляемые аттенюаторы 9.1…9.k, (аналогичные по работе входным аттенюаторам, только с коэффициентом ослабления от 0 до 60 дБ) поступают на выход устройства.
Таким образом, устройство имеет несколько режимов работы.
1. В упрощенном режиме все N входов устройства через входные управляемые аттенюаторы 1.1…1.N подключены к первому сумматору 3 (ключ 10 переключен на второй выход), и на второй сумматор 7 поступает сигнал только с выхода сумматора 3. В этом случае имитируется распространение сигналов с затуханием без вмешательства других воздействий.
2. Дополнительно к первому режиму могут включаться ЦГШ 5.1…5.m, с выходов которых ограниченный по полосе белый гауссовский шум поступает на соответствующие входы сумматора 7. Таким образом получается ситуация, когда по пути распространения к сигналу добавляется шум.
3. В третьем варианте ключ 10 включается на первый выход, и сигнал через АЦП 2 поступает в ИКМ 4. Таким образом включается режим имитации многолучевого распространения сигнала. В данном режиме ЦГШ 5.1…5.m могут быть как включены, так и выключены.
пом1
помm
in1
inN
out1
outk
При эксплуатации устройства вначале необходимо задать распределение ослабления сигнала (аттенюации) между каждым элементом системы связи (приемником или передатчиком) и эмулируемой точкой пространства. Графически картину можно представить в виде изображения на фиг. 5, где указано: среда - среда вокруг эмулируемой точки пространства, затухание радиосигнала в среде постоянное и составляет 88,5 дБ. Входы от 1 до N - входы устройства; выходы от 1 до k - выходы устройства; К…К - коэффициент затухания помехи; А…А - коэффициент затухания по каждому из N входов (расстояние между каждым передатчиком и поверхностью, содержащей среду); A…A - коэффициент затухания по каждому из k выходов (расстояние между каждым приемником и поверхностью, содержащей среду).
Таким образом, задается некоторое взаимное расположение приемников и передатчиков в пространстве.
пом
Далее, задаются частотные полосы и уровни затухания каждой из m помех К от 1 до m. При этом можно рассчитать соотношение сигнал/шум для каждого сигнала. Полоса каждой из помех может быть от 50 кГц до 3 МГц. Следует понимать, что при расширении полосы помехи плотность ее мощности падает.
Введение входных и выходных аттенюаторов, двух сумматоров, цифровых генераторов шума, цифро-аналоговых преобразователей и разветвителя позволяют расширить функциональные возможности устройства и обеспечить больший выбор параметров создаваемого канала беспроводной связи.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет обеспечить больший выбор параметров создаваемого канала беспроводной связи.
В качестве управляемого аттенюатора возможно применение, например, микросхем фирмы Peregrine. В качестве АЦП возможно использовать, например, 16-битное АЦП фирмы Linear Technology, в качестве ЦАП, например, - 14-битную микросхему фирмы Texas Instruments.
ИКМ 4 и ЦГШ. 5.1…5.m могут быть исполнены в цифровом виде, например, на базе одной микросхемы EP4CE115F23I7N фирмы Altera, в которой предусмотрено 281 входов/выходов.