СИСТЕМА СВЯЗИ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫМИ СИГНАЛАМИ С ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТЬЮ И СТАБИЛЬНОСТЬЮ СИНХРОНИЗАЦИИ
SYSTEM OF COMMUNICATION BY ULTRABROADBAND SIGNALS WITH INCREASED ACCURACY AND STABILITY OF SYNCHRONISATION

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике, в частности к скоростным системам радиосвязи, использующим импульсные сверхширокополосные (СШП) сигналы, у которых рабочая полоса и средняя частота сигнала сравнимы. Благодаря отсутствию несущей частоты импульсные сигналы с очень малой длительностью (порядка 1 нсек и менее) и большой скважностью позволяют повысить скорость передачи информации, сохранить высокое качество передаваемой информации и скрытность передачи.
Известна система связи по патенту US 6925109 «Method and system for fast acquisition of ultra-wideband signals». James L.Richards, Mark D.Roberts. 02.08.2005. Сущность метода вхождения в синхронизм в этой системе СШП связи состоит в использовании любой части многолучевого распространения кодовой последовательности импульсного радиосигнала. За счет увеличенного импульсного потока многолучевого радиосигнала возникает возможность корреляционной обработки с образцовым импульсным потоком и при их совпадении система входит в синхронизм. При пороговой обработке, по крайней мере, одной отраженной части многолучевости после проверки на синхронизм система осуществляет быстрый захват. Таким образом, способ обнаружения импульсного радиосигнала заключается в приеме импульсного сигнала, измерении образцового (копии) импульсного потока, поиске импульсного сигнала за счет сдвига копии импульсного потока до момента их совпадения.
К недостатку известной системы можно отнести неработоспособность в мобильном исполнении, так как условие многолучевости непредвиденно изменяется в зависимости от дальности и относительного положения приемника и передатчика.
Известен способ и система связи с быстрым вхождением в синхронизм сверхширокополосными сигналами (Патент RU №2354048. Способ и система связи с быстрым вхождением в синхронизм сверхширокополосными сигналами. Кыштымов Г.А., Бондаренко В.В. и др. 28.11.2007 г.)
Сущность способа вхождения в синхронизм состоит в использовании двух независимых радиоканалов - СШП радиоканал и широкополосный (ШП) радиоканал с ФМ или ЧТ радиосигналами, по которым одновременно распространяется, например, кодовая последовательность синхросигнала.
Моменты изменения фазы или частоты ШП радиосигнала соответствуют временным окнам с импульсами СШП радиосигнала в центре каждого временного окна. Вхождение в синхронизм и поддержание его через определенные промежутки времени, в течении которых СШП радиосигнал не должен выйти за пределы временного окна при всех дестабилизирующих факторах, обеспечивается ШП радиоканалом. В промежутках между синхросигналами ШП радиоканал может передавать другую информацию. Выделение моментов изменения фазы или частоты ШП радиосигнала осуществляются в процессах его усиления, преобразования на промежуточную частоту и в цифровую форму с помощью АЦП и последующей обработки вейвлет-фильтром.
К недостаткам этой системы связи можно отнести ее работоспособность только при отсутствии многолучевости в ШП радиоканале.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является система связи, описанная в [I.J.Immoreev, A.A.Sudakov, "Ultra-Wideband Interference Resistant System for Secure Radio Communication with High Data Rate", ICCSC′02, St. Petersburg, Russian Federation, June 2002] («Сверхширокополосная помехоустойчивая система скрытой связи с высокой скоростью передачи данных», стр.230-232), принятая за прототип.
Блок-схема СШП радиостанции-прототипа, входящей в систему связи, приведена на фиг.1, где введены следующие обозначения:
I - общая часть устройства:
3 - переключатель прием/передача;
4 - широкополосный фильтр (ШПФ);
5 - антенна;
II - передающая часть (ПРД):
1 - буферное устройство передатчика (БУП);
2 - генератор сверхширокополосных (СШП) импульсов;
III - приемная часть (ПРМ):
6 - малошумящий усилитель (МУ);
7 - аттенюатор;
8 - делитель мощности на два канала;
9 - блок временного окна канала сигнала;
10 - пороговое устройство канала сигнала;
11 - буферное устройство канала сигнала (БУС);
12 - формирователь порогового напряжения канала сигнала;
13 - блок временного окна канала шума;
14 - пороговое устройство канала шума;
15 - буферное устройство канала шума (БУШ);
16 - формирователь порогового напряжения канала шума;
17 - блок обработки и управления;
18 - блок синхронизации.
Устройство-прототип содержит в общей части I приемопередатчика последовательно соединенные переключатель 3 прием/передача, широкополосный фильтр (ШПФ) 4 и антенну 5. В передающей части II имеется последовательно соединенные буферное устройство БУП 1 и генератор сверхширокополосных (СШП) импульсов 2, выход которого соединен с первым входом переключателя 3 прием/передача. Приемная часть III (ПРМ) содержит последовательно соединенные малошумящий усилитель МУ 6, аттенюатор 7, делитель мощности на два канала 8, блок временного окна канала сигнала 9, пороговое устройство канала сигнала 10, буферное устройство канала сигнала БУС 11, выход которого соединен с первым входом блока обработки и управления 17, первый выход которого шиной подключен к входам формирователей порогового напряжения каналов сигнала 12 и шума 16, к входу блока синхронизации 18 и второму входу аттенюатора 7, второму входу переключателя прием/передача 3, второй выход которого соединен с входом МУ 6. Кроме того, второй выход делителя мощности на два канала 8 через последовательно соединенные блок временного окна канала шума 13, пороговое устройство канала шума 14 и БУШ 15 соединен со вторым входом блока обработки и управления 17, второй выход которого соединен с входом БУП 1. Первый выход блока синхронизации 18 соединен со вторым входом блока временного окна канала сигнала 9, а второй выход блока синхронизации 18 соединен со вторым входом блока временного окна канала шума 13. Выходы формирователей порогового напряжения канала сигнала 12 и канала шума 16 подключены соответственно ко вторым входам пороговых устройств канала сигнала 10 и канала шума 14. Вход-выход блока обработки и управления 17 является входом/выходом информации.
Устройство-прототип работает следующим образом.
Информация, поступающая на «вход/выход» блока обработки и управления 17, кодируется в последовательность импульсов, которые через БУП 1 запускают генератор 2 СШП импульсов. СШП импульсы поступают через переключатель 3 прием/передача и ШПФ 4 в антенну 5, которая излучает сигнал в эфир. Два канала приемной части абонентского СШП приемопередатчика осуществляют параллельный прием. Один канал служит для приема сигнала, второй - для оценки уровня внешних шумов и сигналов переотражений от препятствий, расположенных на пути распространения СШП сигнала. Основу каждого канала составляет чувствительное пороговое устройство канала сигнала 10 и чувствительное пороговое устройство канала шума 14, выполненные на базе ключевых туннельных диодов, предназначенных для работы в диапазоне СВЧ. Прием в сигнальном и шумовом каналах осуществляется в соответствующих временных окнах (временных интервалах). Сигнал, принимаемый антенной 5 абонентской станции через переключатель 3, усиливается малошумящим усилителем 6 и подается через аттенюатор 7 на делитель мощности на два канала 8: на канал сигнала и на канал шума. По первому каналу через блок временного окна канала сигнала 9 поступает сигнал на первый вход порогового устройства канала сигнала 10, где происходит сравнение с пороговым напряжением формирователя порогового напряжения канала сигнала 12. Шумы со второго выхода делителя мощности на два канала 8 через блок временного окна канала шума 13 подаются на первый вход порогового устройства канала шума 14, где происходит сравнение с пороговым напряжением формирователя порогового напряжения канала шума 16. С выхода пороговых устройств канала сигнала 10 и канала шума 14 результаты сравнения через соответствующие буферные устройства БУС 11 и БУШ 15 поступают на обработку в цифровой сигнальный процессор блока обработки и управления 17. Сигнальный процессор анализирует отклонения от пороговых напряжений, принимаемый сигнал и принимаемые шумы. В зависимости от результатов обработки осуществляется регулировка чувствительности приемной части III путем подстройки порогов формирователями порогового напряжения канала сигнала 12 и канала шума 16. Регулировка динамического диапазона приемной части производится с помощью аттенюатора 7. Также по результатам анализа осуществляется управление работой блока синхронизации 18. Перед началом работы осуществляется калибровка приемной части по внешним шумам. Основные задачи калибровки - установка пороговых напряжений, подаваемых на пороговые устройства канала сигнала 10 и канала шума 14. При калибровке уровень порога в канале сигнала устанавливается выше, чем пороговое напряжение в канале шума, на величину, необходимую для достижения требуемой вероятности ошибки на бит. Калибровка осуществляется после включения питания приемной части и после потери сигнала в рабочем режиме. После завершения калибровки приемной части система переходит в режим поиска сигнала. Поиск сигнала - это режим, обеспечивающий вхождение в синхронизм приемной и передающей частей системы связи. Передающая часть источника сообщения излучает служебный сигнал, который служит для установления связи между ним и приемной частью. В этом режиме в приемнике блок синхронизации 18 через блок временного окна канала сигнала 9 производит поиск переданного сигнала путем временного сдвига синхронизирующих импульсов до момента совпадения с принятым сигналом. Принятый сигнал устанавливается по центру окна. Процедура поиска сигнала осуществляется системой синхронизации и так же, как и калибровка, производится после включения питания приемной части и после потери сигнала в рабочем режиме. В рабочем режиме постоянно осуществляется оценка уровня шумов в шумовых окнах. При изменении измеренного уровня шума изменяются значения порогов в шумовом и, соответственно, в сигнальном каналах, а также происходит регулировка уровня сигнала аттенюатором 7. Наряду с этим в рабочем режиме производится постоянное слежение за положением принимаемого СШП сигнала в сигнальном окне. При отклонении положения СШП сигнала от центра окна на заданный минимальный временной интервал система синхронизации формирует команду на смещение сигнального окна на необходимый временной интервал. В случае потери сигнала (отсутствие импульсов в сигнальном окне) система связи выходит из рабочего режима и переходит в режим калибровки и поиска сигнала.
синх
и
и
Время вхождения системы связи в синхронизм τ определяется перебором временного сдвига синхронизирующих импульсов с шагом, равным (0,5÷1) длительности СШП сигнала τ во всем промежутке следования синхроимпульсов Т. Так как длительность СШП импульса τ много меньше Т (в 100 и более раз), то реальное время вхождения в синхронизм даже при соотношении сигнал/помеха, равном 10 дБ, может достигать от 0,05 до 0,5 сек.
Недостатком устройства-прототипа является длительное время вхождения системы в синхронизм, что связано с длительным перебором временного сдвига синхронизирующих импульсов с мелким шагом.
Другой недостаток этого устройства состоит в следующем. В этом устройстве применяется равномерно-интервальное двоичное кодирование, когда прием и передача коротких импульсов осуществляется в заранее известных равномерно расположенных временных интервалах (временных окнах), длительность которых значительно больше длительности одного единственного СШП импульса, который может находиться в этом окне. Иначе говоря, один СШП синхроимульс (или информационный сигнал «1» или «0») может находиться в сравнительно большом по длительности окне, чтобы упростить осуществление взаимной синхронизации передающей и принимающей радиостанций.
В то же время известно, что прием сигнала в окне, длительность которого не намного превышает длительность информационного сигнала, улучшает помехозащищенность устройства от импульсных помех, так как большая часть импульсных помех попадает в шумовые окна.
Также повышается помехозащищенность от приема переотраженных сигналов.
Однако в целом такая система радиосвязи работоспособна только при использовании узконаправленных антенн и при стационарном положении передающей и приемной радиостанций.
Поэтому при использовании антенн с круговой направленностью необходимо передавать информационные сигналы «1» или «0» в виде неравномерно-интервального кода, состоящего из заранее известных n=3, 4, 5, 6 и т.д. неравномерных интервалов между СШП импульсами. В этом случае при использовании разных интервалов существенно повышается помехозащищенность передачи информации путем исправления одной, двух и более ошибок в принятом коде за счет использования мажоритарных схем приема информации, но с соответствующим снижением скорости передачи в n раз из-за избыточности информационных импульсов.
Значительное уменьшение количества информационных импульсов достигается при позиционном кодировании двоичного кода. Сущность этого кодирования в том, что одним информационным сигналом, располагающимся на одной определенной позиции, можно передавать любое число N разрядного кода. Например, для передачи одного байта информации необходимо иметь 256 позиций. Совместное использование позиционного кодирования с неравномерно интервальным кодированием каждого информационного сигнала позволяет сохранить как скорость передачи, так и помехозащищенность.
Но для осуществления позиционного кодирования нужна очень высокая точность и стабильность синхронизации между двумя радиостанциями при всех неблагоприятных условиях, а в мобильных вариантах и с учетом эффекта Доплера. Принципиальным недостатком таких схем является требование высокой идентичности задающих генераторов на различных сторонах канала связи. Даже дорогие и громоздкие прецизионные кварцевые генераторы не решают проблему идентичности задающих генераторов на обеих сторонах канала связи, особенно при работе с высокоскоростными мобильными объектами.
Для устранения указанных недостатков в систему связи сверхширокополосными сигналами с повышенной точностью и стабильностью синхронизации, состоящую, как минимум, из двух радиостанций, каждая из которых имеет общую, передающую и приемную части, причем общая часть содержит последовательно соединенные переключатель прием/передача, широкополосный фильтр и антенну; передающая часть содержит последовательно соединенные буферное устройство передатчика и генератор сверхширокополосных импульсов; приемная часть содержит последовательно соединенные малошумящий усилитель, аттенюатор, делитель мощности на два канала (канал сигнала и канал шума); последовательно соединенные пороговое устройство канала сигнала и буферное устройство канала сигнала, выход которого соединен с первым входом блока обработки и управления; последовательно соединенные пороговое устройство канала шума и буферное устройство канала шума, выход которого соединен со вторым входом блока обработки и управления; кроме того, первый выход блока обработки и управления соединен шиной с входами формирователей пороговых напряжений канала сигнала и канала шума, со вторыми входами аттенюатора и переключателя прием/передача, второй выход которого соединен с входом малошумящего усилителя, причем второй выход блока обработки и управления соединен с входом буферного устройства передатчика, выход генератора сверхширокополосных импульсов соединен с первым входом переключателя прием/передача, выходы формирователей пороговых напряжений канала сигнала и канала шума соединены соответственно со вторыми входами пороговых устройств канала сигнала и канала шума, вход-выход блока обработки и управления является входом-выходом информации, введены последовательно соединенные опорный генератор, делитель опорной частоты, первый ключ, выход которого соединен с выходом второго ключа и сигнальным входом делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления; формирователь ответного синхросигнала, первый выход которого соединен с сигнальным входом второго ключа, второй выход соединен с сигнальным входом третьего ключа, выход которого соединен с входом сброса делителя опорной частоты; а шина «вход-выход» формирователя ответного синхросигнала соединена с шиной с первого выхода блока управления и обработки, с которым той же шиной соединены входы управления первого, второго и третьего ключей; цифровой синтезатор частот (ЦСЧ), состоящий из последовательно соединенных делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления, частотно-фазового детектора, фильтра нижних частот, генератора, управляемого напряжением, и делителя частоты с переменным коэффициентом деления, выход которого соединен со вторым входом частотно-фазового детектора, при этом второй выход генератора, управляемого напряжением, соединен с третьим входом блока обработки и управления, а с четвертым его входом соединен второй выход частотно-фазового детектора (выход индикатора синхронизма), а также микроконтроллер, с первого выхода которого шина соединена с управляющими входами делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления, частотно-фазового детектора и делителя частоты с переменным коэффициентом деления, которые образуют цифровую часть ЦСЧ; со второго выхода микроконтроллер по шине «вход-выход» соединен с шиной с первого выхода блока обработки и управления, пятый вход которого соединен с выходом опорного генератора; при этом первый выход делителя мощности на два канала соединен с входом порогового устройства канала сигнала, а второй выход соединен с входом порогового устройства канала шума.
В основу предлагаемой системы связи поставлена задача: создать высокоточную и стабильную синхронизацию в работе двух связанных СШП радиостанций. Для этого передатчик первой радиостанции излучает в каждом интервале ПРД синхроимпульсы и информационные сигналы, а приемник второй радиостанции принимает эти сигналы и с помощью местного ЦСЧ на основе системы импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) подстраивает и синхронизирует свои интервалы ПРМ с интервалами от ПРД первой радиостанции с точностью до фазы. Это возможно потому, что передатчик первой радиостанции и приемник второй радиостанции начинают теперь работать от одного опорного генератора в первой радиостанции. Точно также передатчик и второй радиостанции излучает в каждом интервале ПРД синхроимпульсы и информационные сигналы, а приемник первой радиостанции принимает эти сигналы и с помощью ЦСЧ первой радиостанции синхронизирует свои интервалы ПРМ с интервалами от ПРД второй радиостанции с точностью до фазы. Иначе говоря, получаются две синхронные системы ИФАПЧ, работающие каждая от своего опорного генератора (ОГ). Эта синхронизация сохраняется при всех дестабилизирующих факторах и в скоростных мобильных устройствах.
На фиг.2 представлена блок-схема предлагаемой СШП радиостанции, входящей в систему связи, где обозначено:
I - общая часть; II - передающая часть (ПРД); III - приемная часть (ПРМ);
1 - буферное устройство передатчика (БУП);
2 - генератор сверхширокополосных (СШП) импульсов;
3 - переключатель прием/передача;
4 - широкополосный фильтр (ШПФ);
5 - антенна;
6 - малошумящий усилитель (МУ);
7 - аттенюатор;
8 - делитель мощности на два канала;
10 - пороговое устройство канала сигнала;
11 - буферное устройство канала сигнала (БУС);
12 - формирователь порогового напряжения канала сигнала;
14 - пороговое устройство канала шума;
15 - буферное устройство канала шума (БУШ);
16 - формирователь порогового напряжения канала шума;
17 - блок обработки и управления;
19 - опорный генератор (ОГ);
20 - делитель опорной частоты (ДОЧ);
21 - первый ключ;
22 - второй ключ;
23 - третий ключ;
24 - формирователь ответных синхроимпульсов (ФОС);
25 - делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД);
26 - частотно-фазовый детектор (ЧФД);
27 - фильтр нижних частот (ФНЧ);
28 - генератор, управляемый напряжением (ГУН);
29 - делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД);
30 - микроконтроллер (МК);
31 - цифровая часть синтезатора частот на основе системы ИФАПЧ;
32 - шина управления от МК 30.
Предлагаемое устройство содержит общую I, передающую II и приемную III части, а также введенные блоки для осуществления взаимной синхронизации.
Общая часть I приемопередатчика содержит последовательно соединенные переключатель прием/передача 3 и широкополосный фильтр ШПФ 4, вход которого подсоединен к антенне 5.
Передающая часть II содержит последовательно соединенные буферное устройство передатчика БУП 1 и генератор СШП импульсов 2, выход которого соединен с первым входом переключателя прием/передача 3.
Приемная часть III содержит последовательно соединенные малошумящий усилитель МУ 6, аттенюатор 7, делитель мощности на два канала 8, пороговое устройство канала сигнала 10, буферное устройство канала сигнала БУС 11, выход которого соединен с первым входом блока обработки и управления 17; последовательно соединенные пороговое устройство канала шума 14 и буферное устройство канала шума БУШ 15, выход которого соединен со вторым входом блока обработки и управления 17. При этом второй выход делителя мощности на два канала 8 соединен с первым входом порогового устройства канала шума 14, второй вход которого соединен с формирователем порогового напряжения канала шума 16. Кроме того, первый выход блока обработки и управления 17 соединен шиной с входами формирователей порогового напряжения канала сигнала 12, канала шума 16, со вторыми входами аттенюатора 7 и переключателя 3 прием/передача, второй выход которого соединен с входом МУ 6, причем выход формирователя порогового напряжения канала сигнала 12 соединен со вторым входом порогового устройства канала сигнала 10. Второй выход блока обработки и управления 17 соединен с входом БУП 1. Вход-выход блока обработки и управления 17 является информационным входом-выходом.
Кроме того, предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные опорный генератор ОГ 19, ДОЧ 20 и первый ключ 21, выход которого соединен с выходом второго ключа 22 и сигнальным входом ДФКД 25; ФОС 24, первый выход которого соединен с сигнальным входом второго ключа 22, а второй выход соединен с сигнальным входом третьего ключа 23, выход которого соединен со вторым входом ДОЧ 20. При этом вход-выход ФОС 24 шиной соединен с шиной с первого выхода блока управления и обработки 17, с которым также шиной соединены входы управления первого 21, второго 22 и третьего 23 ключей. Предлагаемое устройство также содержит ЦСЧ, состоящий из последовательно соединенных ДФКД 25, ЧФД 26, ФНЧ 27, ГУН 28 и ДПКД 29, выход которого соединен со вторым входом ЧФД 26, при этом второй выход ГУН 28 соединен с третьим входом блока обработки и управления 17, а второй выход ЧФД 26 (выход внутреннего индикатора синхронизма ЦСЧ) соединен с четвертым входом блока обработки и управления 17, пятый вход которого соединен с выходом ОГ 19; а также микроконтроллер МК 30, с первого выхода которого по управляющей шине 32 соединяется с управляющими входами ДФКД 25, ЧФД 26 и ДПКД 29. Второй выход МК 30 по шине «вход-выход» соединен с шиной с первого выхода блока обработки и управления 17.
В цифровом синтезаторе частот ЦСЧ на основе системы импульсно-фазовой автоподстройки частоты ИФАПЧ выделенные пунктиром блоки 25, 26 и 29 выполняются в одной микросхеме и представляют собой цифровую часть ЦСЧ 31.
Управляющая шина 32 с первого выхода МК 30 представляет собой стандартный трехпроводный интерфейс, где по трем проводам поступают в последовательном коде импульсные сигналы: 1) тактовые импульсы (ТИ); 2) информационный сигнал (ИНФ); 3) импульс разрешения записи (ИЗ) передаваемой информации в один из блоков: ДПКД 29, ЧФД 26, ДФКД 25. Причем для всех блоков общими проводами являются ТИ и ИНФ, а импульс разрешения записи ИЗ передаваемой информации поступает по отдельному проводу в каждый управляемый блок.
Предлагаемая система связи работает следующим образом.
При включении питания все радиостанции СШП системы связи после сброса и установки в исходное состояние счетчиков, регистров и других цифровых устройств проходят калибровочный цикл СШП приемника, затем переходят в режим приема (ПРМ) и ожидают сигнал вызова.
Вхождение в синхронизм, прием и передача информации между радиостанциями осуществляются в соответствующих временных интервалах (временных окнах), которые чередуются следующим образом: ПРМ, ПРД, ПРМ и т.д. (см. временные диаграммы на фиг.3, поясняющие процесс вхождения в синхронизм двух радиостанций СШП связи и последующую их работу).
Временные интервалы и соответствующие позиции внутри них формируются в блоке 17 обработки и управления с помощью элементов цифровой техники: регистров сдвига, счетчиков, D-триггеров и т.д. от высокостабильных частот с выхода ЦСЧ (выход ГУН 28) и с выхода ОГ 19. Высокостабильная тактовая частота для работы цифровых устройств приемника с выхода ЦСЧ (точнее со второго выхода ГУН 28) поступает на третий вход блока обработки и управления 17. Высокостабильная тактовая частота для работы цифровых устройств передатчика формируется от ОГ 19, с выхода которого высокая частота поступает на пятый вход блока 17. Также в блоке обработки и управления 17 формируются сигналы лог. «0» и лог. «1» для переключения ключей 21, 22, 23.
О
cp
О
cp
упр
гун
О
ГУН
О
На опорный вход ЦСЧ (вход ДФКД 25) поступает с выхода опорного генератора ОГ 19 через делитель опорной частоты ДОЧ 20 с коэффициентом деления R и замкнутый первый ключ 21 опорная задающая частота F. При этом второй ключ 22 разомкнут, а управление первым ключом 21 и вторым ключом 22 происходит по шине с первого выхода блока обработки и управления 17. Внутри цифровой части 31 ЦСЧ с выхода ДФКД 25 поток коротких импульсов с частотой сравнения F=F/R поступает на первый вход ЧФД 26, а на второй его вход поступает поток коротких импульсов с выхода ДПКД 29 с частотой, равной в режиме синхронизма частоте F. В результате сравнения двух потоков импульсов на входах ЧФД 26 по частоте и фазе на первом выходе ЧФД 26 формируется управляющее напряжение U, которое через ФНЧ 27 поступает на управляющий вход ГУН 28 и подстраивает его частоту F по принципу работы кольца ИФАПЧ под опорную F. Происходит захват частоты F от опорной частоты в кольце ИФАПЧ, в котором устанавливается синхронизм с точностью до фазы опорного сигнала F согласно формуле
гун
О
ср
Р=N·F/R=N·F,
где N - коэффициент деления ДПКД 29,
R - коэффициент деления ДФКД 25,
O
F - опорная частота на входе ДФКД 25.
Синхронизм с точностью до фазы в кольце ИФАПЧ цифрового синтезатора частот обеспечивается в основном из-за применения цифрового частотно-фазового детектора (ЧФД) с тремя состояниями и петлевого ФНЧ с использованием интегратора на операционном усилителе. Такой цифровой ЧФД имеется почти во всех современных микросхемах ЦСЧ на основе кольца ИФАПЧ (например, микросхемы LMX2364, LMX2470 фирмы National Semiconductor, микросхемы ADF4252, ADF4001 фирмы Analog Devices и другие).
В результате установления синхронизма в синтезаторе частот формируется сигнал синхронизма ЦСЧ с уровнем лог. «1» на втором выходе ЧФД 26 (выход индикатора синхронизма).
Индикаторы синхронизма обычно входят в состав ЧФД микросхем ЦСЧ (например, в микросхеме синтезатора частот ADF4001 фирмы Analog Devices) и бывают двух типов: цифровой и аналоговый. Если нет синхронизма в кольце ИФАПЧ, на котором построен ЦСЧ, то на выходе индикатора синхронизма формируется сигнал лог. «0». Со второго выхода ЧФД 26 сигнал синхронизма с уровнем лог. «1» поступает на четвертый вход блока обработки и управления 17 и разрешает его работу.
В режиме передачи коротких импульсов информация, поступающая на «вход-выход» блока 17, кодируется в последовательность импульсов, которые со второго выхода блока 17 через БУП 1 запускают генератор СШП импульсов 2. Эти короткие СШП импульсы поступают через переключатель 3 прием/передача и ШПФ 4 в антенну 5, которая излучает сигнал в эфир.
В режиме приема сигнал, принимаемый антенной 5, проходит через ШПФ 4 и переключатель 3 на вход МУ 6, где усиливается и поступает через аттенюатор 7 и делитель 8 мощности на два канала - канал сигнала и канал шума. Один канал служит для приема сигнала, второй канал - для оценки уровня внешних шумов и сигналов переотражений от препятствий, расположенных на пути распространения СШП сигнала. Прием в сигнальном и шумовом каналах осуществляется в соответствующих временных окнах (временных интервалах). Основу каждого канала составляет чувствительное пороговое устройство канала сигнала 10 и чувствительное пороговое устройство канала шума 14. На вторые входы пороговых устройств канала сигнала 10 и канала шума 14 поступают напряжения соответственно с формирователя порогового напряжения канала сигнала 12 и формирователя порогового напряжения канала шума 16. В результате сравнения принятых сигналов и шумов с соответствующими пороговыми напряжениями на выходах пороговых устройств 10 и 14 формируются сигналы, которые через соответствующие буферные устройства БУС 11 и БУШ 15 поступают в блок обработки и управления 17, где анализируются отклонения от пороговых напряжений, принимаемый сигнал и принимаемые шумы. В зависимости от результатов обработки осуществляется регулировка приемной части III путем подстройки порогов формирователями порогового напряжения канала сигнала 12 и канала шума 16. Регулировка динамического диапазона приемной части производится с помощью аттенюатора 7 по сигналу, поступающему по шине с первого выхода блока обработки и управления 17.
Таким образом, перед началом работы осуществляется калибровка приемной части по внешним шумам так же, как и в прототипе.
После прохождения калибровочного цикла обе радиостанции переходят в режим ПРМ и ожидают сигнала вызова.
1
2
Пусть первая радиостанция в момент времени t (см. временные диаграммы на фиг.3) начинает работу, переходит в режим ПРД, формирует и излучает в конце интервала ПРД (t) для второй радиостанции сигнал вызова, состоящий, например, из 6 коротких импульсов.
Во второй радиостанции после приема сигнала вызова в блоке обработки и управления 17 выделяется одиночный импульс вызова с помощью мажоритарной схемы для получения большей достоверности.
Мажоритарная схема может быть построена на соответствующих микросхемах. Например, микросхема КР1533ЛПЗ представляет собой строенный мажоритарный элемент и применяется для повышения надежности и помехозащищенности аппаратуры. Логическое состояние выхода микросхемы определяется совпадающим состоянием любых двух входов из трех (см. И.И.Петровский и др. «Логические ИС КР1533, КР1554» Справочник. В двух частях. Часть 2, стр.283. Москва, Бином, 1993 г.).
Логическая схема с набором таких мажоритарных элементов позволяет сделать устройство, например, для пяти или шести входов из семи и т.д.
При неблагоприятной обстановке (дальняя связь, недостаточная мощность передатчика, помехи) не все 6 импульсов сигнала вызова могут быть обнаружены. Тогда должна включаться мажоритарная схема, с помощью которой может быть выделен импульс синхронизации, если поступят 4 или 5 импульсов. Оптимальный вариант, когда поступает 5 импульсов. Если поступает 4 импульса, то мощность передатчика недостаточна и затем необходимо передать команду на увеличение мощности. Если поступают все 6 импульсов, то мощность передающей радиостанции избыточна и затем необходимо передать команду на уменьшение мощности для того, чтобы повысить скрытность передачи.
3
4
Во второй радиостанции после прихода импульса вызова с выхода мажоритарной схемы блока обработки и управления 17 в момент времени t (см. временные диаграммы на фиг.3) начинается интервал ПРД стандартный до момента времени t, в конце которого посылается сигнал ответа для первой радиостанции тоже из 6 импульсов. Иначе говоря, импульс вызова с первой радиостанции дает «старт» новому интервалу ПРД во второй радиостанции и таким образом происходит выравнивание интервалов двух радиостанций без учета времени распространения радиосигналов.
4
А после этого интервала ПРД во второй радиостанции с момента времени t начинается стандартный интервал ПРМ.
5
7
Сигнал ответа со второй радиостанции поступает на первую радиостанцию в момент времени t в интервал ПРМ и с помощью мажоритарной схемы выделяется из этого сигнала ответа один ответный импульс. Это означает, что во второй радиостанции в блоке 17 от принятого сигнала вызова произошло выравнивание начала и окончания интервалов ПРМ и ПРД относительно первой радиостанции без учета задержки на время прохождения радиосигналов, т.е. произошла предварительная синхронизация между двумя радиостанциями. Если ожидаемый сигнал ответа не поступил на первую радиостанцию, тогда повторяется сигнал вызова (t) до поступления ответного сигнала.
8
9
После этого, для более точной синхронизации и непрерывной коррекции (слежения) начала и окончания каждого интервала, опорный вход ЦСЧ первой радиостанции переключается с местного делителя опорной частоты ДОЧ 20 от местного опорного генератора ОГ 19 на опорный сигнал, формируемый от ответного сигнала второй радиостанции (t-t) в ФОС 24. Для этого сначала проверяется достоверность полученных в ФОС 24 по шине «вход-выход» синхросигналов с шины от первого выхода блока обработки и управления 17. После установления в ФОС 24 соответствия ответных синхросигналов опорным сигналам от ДОЧ 20 посылается от ФОС 24 по шине «вход-выход» на шину с первого выхода блока 17 сигнал, разрешающий поступление от блока обработки и управления 17 команды на переключение ключей 21 и 22. В результате на опорный вход ДФКД 25 ЦСЧ теперь поступают синхроимпульсы с первого выхода ФОС 24 и все дальнейшие интервалы в приемнике первой радиостанции и все интервалы в передатчике второй радиостанции теперь формируются от одного ОГ 19 во второй радиостанции.
9
10
Точно также опорный вход ЦСЧ второй радиостанции переключается с местного делителя опорной частоты ДОЧ 20 от местного ОГ 19 на опорный сигнал, формируемый от первой радиостанции (t-t) в ФОС 24.
В результате все дальнейшие интервалы в приемнике второй радиостанции и все интервалы в передатчике первой радиостанции теперь формируются от одного опорного генератора ОГ 19 в первой радиостанции.
Таким образом, между радиостанциями после переключения опорных частот ЦСЧ устанавливается полный синхронизм с точностью до фазы и любые изменения синхроимпульсов и информационных импульсов в передатчике одной радиостанции точно повторяются на выходе приемника другой радиостанции (происходит захват и слежение в системе ИФАПЧ).
Переключение опорных частот ЦСЧ происходит следующим образом.
2
4
После выравнивания временных интервалов в первой радиостанции относительно второй в блоке ФОС 24 первой радиостанции проверяется достоверность сформированных от ответного сигнала синхроимпульсов (по мажоритарной схеме), которые должны поступить на опорный вход ДФКД 25 через ключ 22, вместо опорных импульсов с ДОЧ 20, поступающих через ключ 21. Если достоверность этих импульсов установлена, то посылается определенный сигнал от ФОС 24 по шине «вход-выход» в блок обработки и управления 17, чтобы с первого выхода блока обработки и управления 17 по шине мог поступить сигнал отключения ключа 21, через который поступал опорный сигнал от ДОЧ 20, и включения ключа 22, через который теперь будет поступать опорный сигнал от ФОС 24. Поскольку сформированные ответные синхроимпульсы с ФОС 24 и действующие в это время опорные импульсы с ДОЧ 20 могут немного не совпадать по фазе (см. временные диаграммы на фиг.4, моменты времени t-t), то переключение этих потоков импульсов может привести к нежелательному броску управляющего напряжения на выходе ЧФД 26 и соответственно выходной частоты ГУН 28 синтезатора частот. Чтобы исключить ненужный бросок частоты ЦСЧ, переключение этих опорных импульсов происходит в следующей последовательности (см. временные диаграммы на фиг.4).
Сначала, по шине с первого выхода блока обработки и управления 17 на шину «вход-выход» МК 30, посылается сигнал, по которому с выхода МК 30 по его управляющей шине 32 поступает на ЦСЧ сигнал лог. «1», который переводит микросхему ЦСЧ (например, микросхему ADF4001 фирмы Analog Devices) в режим синхронного Power-Down, т.е. в пассивный энергосберегающий режим. При этом генератор тока (charge pump) в ЧФД 26 цифрового синтезатора частот переключается в третье состояние, характеризующееся тем, что выход ЧФД внутри микросхемы отключается от всех цепей и его сопротивление становится очень большим (→ ∞).
В результате управляющее напряжение на входе ГУН 28 ЦСЧ сохраняется неизменным и частота на выходе ГУН 28 остается без изменения, хотя кольцо ИФАПЧ разорвано.
Кроме того, одновременно делители частот ДФКД 25 и ДПКД 29 сигналом лог. «1» с выхода МК 30 переключаются в состояние «сброса».
3
4
Затем с МК 30 по шине «вход-выход» посылается в блок обработки и управления 17 обратный сигнал, по которому разрешается от блока 17 переключение ключей 21 и 22 так, чтобы теперь опорный сигнал поступал на ДФКД 25 ЦСЧ через замкнутый ключ 22 от ФОС 24, а ключ 21 был разомкнут. Тогда на вход ДФКД 25 будет приходить поток импульсов от ФОС 24, фаза которых немного сдвинута относительно фазы импульсов с выхода ДОЧ 20 и соответственно относительно фазы импульсов с выхода ДПКД 29 (см. фиг.4, моменты времени t-t).
4
7
После переключения ключей 21 и 22 микроконтроллер МК 30 по шине 32 управления цифровой части ЦСЧ 31 (первая шина) подает сигнал лог. «0», который переключает ЦСЧ из режима синхронного Power-Down в нормальный режим и счетчики ДФКД 25 и ДПКД 29 начинают одновременный (синхронный) счет входных импульсов (см. фиг.4, моменты времени t-t). Иначе говоря, дан общий «старт» делителям ДПКД 29 и ДФКД 25. Теперь импульсы с ДПКД 29 подстроились по фазе с импульсами от ДФКД 25, сформированными от ФОС 24. В этом случае с переключением источников опорных частот на входе ЦСЧ исключается бросок частоты на выходе ГУН 29.
6
7
Затем начинается рабочий режим обмена информацией и только после этого по команде с первого выхода блока 17 включается третий ключ 23, разрешающий прохождение ответных синхроимпульсов с ФОС 24 на вход сброса ДОЧ 20 (см. фиг.4, моменты времени t-t).
В результате на выходе местного ДОЧ 20 и на выходе ФОС 24 образуются опорные импульсы одинаковой частоты и одинаковой фазы, что позволяет в любой момент при необходимости мгновенно переводить синтезатор частот на опорный сигнал от местного опорного генератора и сохранить синхронность и синфазность в работе двух радиостанций.
Точно также, во второй радиостанции после поступления синхроимпульсов с ФОС 24 на опорный вход местного ЦСЧ, эти синхроимпульсы начинают поступать на вход сброса местного делителя опорной частоты ДОЧ 20.
В результате во второй радиостанции на выходе местного ДОЧ 20 и на выходе ФОС 24 образуются потоки синхроимпульсов одинаковой частоты и одинаковой фазы, что также позволяет в любой момент при необходимости мгновенно переключить синтезатор частот второй радиостанции на опорный сигнал от местного опорного генератора ОГ 19 и сохранить синхронность и синфазность в работе двух радиостанций.
В случае потери сигнала (отсутствие импульсов в сигнальном окне) система связи выходит из рабочего режима и переходит в режим калибровки и поиска сигнала.
Возможность осуществления работы предлагаемого устройства определяется тем, что вводимые блоки типовые и могут быть выполнены на широко известной элементной базе. Высокочастотные ключи могут быть выполнены на основе микросхемы HEF4066B фирмы Philips Semiconductors. В качестве синтезаторов частот могут использоваться быстродействующие ЦСЧ на основе системы ИФАПЧ (см., например, патент на изобретение №2379830 от 28.10.2008 г.). Цифровая часть ЦСЧ выполняется на микросхеме ADF4001 фирмы Analog Devices. Микроконтроллер типа C8051F220 фирмы SILABS (CYGNAL) используется для управления соответствующими блоками синтезатора частот.
Таким образом, предлагаемая система связи СШП сигналами по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами.
1. Повышено быстродействие при вхождении в синхронизм между двумя радиостанциями, т.к. в приемнике отсутствует длительный процесс поиска временным сигнальным окном входного СШП импульса.
2. Синхронизация между передатчиком одной радиостанции и приемником другой радиостанции происходит с точностью до фазы, т.к. все интервалы, позиции внутри интервалов, а также короткие импульсы СШП связи в середине этих позиций формируются от одного опорного генератора на передающей стороне канала связи. Иначе говоря, это наиболее полная синхронизация на основе синфазных систем, обеспечивает принципиально более высокую стабильность и точность эксплуатационных параметров системы связи.
3. Полная синхронизация с точностью до фазы от одного опорного генератора позволяет избавиться от необходимости использования прецизионных кварцевых генераторов и дает возможность работы со сверхскоростными мобильными объектами связи.
4. По сравнению с прототипом предлагаемая система связи обладает более высокой помехоустойчивостью и надежностью как при вхождении в синхронизм, так и при передачи информации из-за использования позиционно-интервального кодирования и мажоритарных схем для выделения синхроимпульсов и информационных сигналов.
5. Использование мажоритарных схем для выделения синхроимпульсов помогает не только повысить точность и стабильность синхронизации, но и позволяет гибко регулировать выходную мощность передатчика для обеспечения помехозащищенности и оптимального энергопотребления, а также для повышения скрытности передачи.
Кроме того, импульсная СШП система связи, основанная на передаче сверхкоротких одиночных импульсов, следующих друг за другом с большой переменной скважностью (20-1000), позволяет получить шумоподобный, сверхширокополосный (до десятка ГГц) спектр излучаемого сигнала с низким уровнем спектральных составляющих, которые не влияют на работоспособность в общей полосе частот других радиотехнических систем.
Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений не известны ни способы, ни устройства, позволяющие осуществить синхронизацию между импульсными СШП радиостанциями с точностью до фазы и стабильно поддерживать эту синхронизацию при воздействии различных неблагоприятных условий и в скоростных мобильных устройствах.
Источники информации
1. US 2003/0067963 A1 Mode Controller For Signal Acquisition And Tracking In Ultra Wide Band Communication System. Timothy R.Miller, Gerard P.Lynch, Deepak M.Joseph. 10.04.2003.
2. US 6925109 «Method and system for fast acquisition of ultra-wideband signals». James L.Richards, Mark D.Roberts. 02.08.2005.
3. I.J.Immoreev, A.A.Sudakov, "Ultra-Wideband Interference Resistant System for Secure Radio Communication with High Data Rate", ICCSC′02, St. Petersburg, Russian Federation, June 2002, pp.230-233.
4. И.Я.Иммореев, A.A.Судаков, «Сверхширокополосная помехоустойчивая система скрытой связи с высокой скоростью передачи данных». Сборник докладов Всероссийской научной конференции. Муром, 1-3 июля 2003 г. - Муром: Изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2003 г., стр.435-440.
5. RU №2354048. Способ и система связи с быстрым вхождением в синхронизм сверхширокополосными сигналами. Кыштымов Г.А., Бондаренко В.В. и др. Опубликовано 27.04.2009 г. Бюл. №12.
6. И.И.Петровский и др. «Логические ИС КР1533, КР1554» Справочник. В двух частях. Москва, Бином, 1993 г.
7. Голуб В.С. Новые синтезаторы частот серии ADF4xxx. // Chip News. 2002. №4, С.20-23.