УСТРОЙСТВО БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ, ПОЗВОЛЯЮЩЕЕ ВЕСТИ ОДНОВРЕМЕННУЮ ПЕРЕДАЧУ И ПРИЕМ ИНФОРМАЦИИ В ОДНОЙ ПОЛОСЕ ЧАСТОТ

Полезная модель относится к радиосвязи, и может быть использована при разработке беспроводных систем связи.
Известно устройство беспроводной связи, приведенное в описании изобретения под названием "Система радиосвязи с ретранслятором" [1]. Устройство содержит каскадно соединенные блок коммутации и сопряжения, модулятор, передатчик, фильтр, имеющий два выхода, первый из которых, соединен с входом приемо-передающей антенны, а второй с входом приемника, и два входа, первый из которых соединен с выходом передатчика, а второй с выходом приемо-передающей антенны, демодулятор вход которого соединен с выходом приемника, а выход с входом блока контроля и сопряжения. Скорость передачи данных зависит от ширины используемой полосы частот, и используемого вида модуляции. Недостатком данного устройства является то, что данное устройство работает в дуплексном режиме (временном либо частотном), таким образом, выделенный частотно временной ресурс используется только на 50%, что в свою очередь снижает потенциально возможную скорость передачи информации.
Наиболее близким к заявляемому устройству, является устройство приема и передачи OFDM-сигналов с повышенной помехоустойчивостью [2]. Устройство прототип состоит из последовательно соединенных: кодера-перемежителя, вход которого является входом устройства, символьного мэппера и блока формирования пилот-сигналов, последовательно соединенных: блока псевдослучайной фазовой модуляции поднесущих, блока вычисления обратного преобразования Фурье, блока вставки защитного интервала, блока цифроаналогового преобразования, I/Q модулятора-преобразователя частоты и передающей антенны, последовательно соединенных: приемной антенны, I/Q демодулятора-преобразователя частоты, блока аналого-цифрового преобразования, блока вычисления прямого преобразования Фурье, блока оценки и коррекции параметров канала, символьного демэппера и помехоустойчивого декодера-деперемежителя, выход которого является информационным выходом устройства, блока вычисления отношения сигнал-шум и фазового демодулятора поднесущих, причем выход блока формирования пилот-сигналов подсоединен к первому входу блока псевдослучайной фазовой модуляции поднесущих, выход блока вычисления прямого преобразования Фурье соединен с первым входом фазового демодулятора поднесущих, вход блока вычисления отношения сигнал-шум подсоединен ко входу I/Q-демодулятора-преобразователя частоты, а выход - ко второму входу блока псевдослучайной фазовой модуляции поднесущих и ко второму входу фазового демодулятора поднесущих, третий вход блока псевдослучайной фазовой модуляции поднесущих является входом данных сигнализации устройства, а выход фазового демодулятора поднесущих является выходом данных сигнализации устройства. Недостатком устройства прототипа является то, что данное устройство работает в дуплексном режиме (временном либо частотном), таким образом, выделенный частотно временной ресурс используется только на 50%, что в свою очередь снижает потенциально возможную скорость передачи информации.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, - повышение скорости передачи информации, достигаемое за счет того, что предлагаемое устройство производит одновременную передачу и прием сигналов, в одной полосе частот, что позволяет максимально эффективно использовать выделенный частотно-временной ресурс.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известное устройство, содержащее: информационный вход, являющийся входом устройства, информационный выход, блок цифроаналогового преобразования, первый блок преобразования частоты, вход которого соединен с выходом блока цифро-аналогового преобразования, передающую антенну, приемную антенну, второй блок преобразования частоты, блок аналого-цифрового преобразования, вход которого соединен с выходом второго блока преобразования частоты, дополнительно вводится блок формирования сигналов, вход которого является информационным входом устройства, а первый выход блока формирования сигналов соединен с входом блока цифроаналогового преобразования, первый усилитель, вход которого соединен с выходом первого блока преобразования частоты, первый фильтр, вход которого соединен с выходом первого усилителя, а выход соединен с входом передающей антенны, фазовращатель, вход которого соединен с выходом первого усилителя, первый блок задержки, вход которого соединен с выходом фазовращателя, блок ослабления, вход которого соединен с выходом первого блока задержки, второй фильтр, вход которого соединен с выходом приемной антенны, первый сумматор, первый вход которого соединен с выходом блока ослабления, а второй вход соединен с выходом второго фильтра, второй усилитель, вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход соединен с входом второго блока преобразования частоты, второй блок задержки, вход которого соединен с первым выходом аналого-цифрового преобразователя, блок оценки канала распространения радиоволн, первый вход которого соединен с первым выходом блока формирования сигналов, а второй вход с вторым выходом блока аналого-цифрового преобразования, буферное запоминающее устройство, вход которого соединен с выходом блока оценки канала распространения радиоволн, блок формирования компенсирующего сигнала, первый вход которого соединен с выходом буферного запоминающего устройства, а второй вход соединен с вторым выходом блока формирования сигналов, второй сумматор, первый вход которого соединен с выходом второго блока задержки, а второй вход которого соединен с выходом блока формирования компенсирующего сигнала, блок демодуляции сигнала, вход которого соединен с выходом второго сумматора, а выход которого является информационным выходом устройства.
Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 1, на которой обозначено: 1 - информационный вход устройства, 2 - блок формирования сигналов, 3 - блок цифро-аналогового преобразования, 4, 15 - первый и второй блоки преобразования частоты, 5, 14 - первый и второй усилители, 6, 12 - первый и второй фильтры, 7 - передающая антенна, 8 - фазовращатель, 9 - первый блок задержки, 10 - блок ослабления, 11 - приемная антенна, 13, 21 - первый и второй сумматор, 16 - блок аналого-цифрового преобразования, 17 - блок оценки канала распространения радиоволн, 18 - буферное запоминающее устройство, 19 - блок формирования компенсирующего сигнала, 20 - второй блок задержки, 22 - блок демодуляции сигнала, 23 - информационный выход устройства.
Подробное описание устройства.
Традиционно системы связи используют дуплексное разделение передаваемой и принимаемой информации, временное либо частотное. При полном дуплексе передача и прием данных производится одновременно, в одной полосе частот, что позволит удвоить скорость передачи данных, за счет более эффективного использования частотно-временного ресурса. Сложность реализации заключается в том, что мощность сигнала на выходе передающей антенны 7 значительно превышает мощность принимаемого сигнала от удаленного приемо-передающего пункта в приемной антенне 11, таким образом, приемный тракт будет забит собственным передаваемым сигналом. Для нормального функционирования полнодуплексной системы связи, необходима развязка порядка 100 дБ меду передающей 7 и приемной 11 антенной каждого приемопередающего пункта. Для того чтобы полнодуплексная связь стала реализуемой, необходимо производить компенсацию собственного передаваемого сигнала в приемном тракте. В условиях многолучевого канала распространения радиоволн (РРВ), приемной антенной 11 будут приниматься не только прямой сигнал с выхода антенны 7, но и сигналы отраженные от различных окружающих объектов. Для компенсации переотраженных сигналов необходимо произвести оценку канала связи между передающей антенной 7 и приемной антенной 11.
Для описания работы устройства введем следующие обозначения:
- "Пилот сигнал" - заранее известный сигнал, используемый для оценки канала РРВ.
- "Сигнал помеха" - связной сигнал, предназначенный для удаленного приемного пункта, излученный передающей антенной 7, поступивший также в приемную антенну 11.
- "Полезный сигнал" - связной сигнал от удаленного передающего пункта, принимаемый приемной антенной 11,
Первоначально производится оценка канала РРВ, между передающей 7 и приемной 11 антеннами устройства. Блок формирования сигналов 2, формирует "пилот сигнал", с выхода блока формирования сигналов 2, "пилот сигнал" поступает на вход блока цифро-аналогового преобразования 3, на первый вход блока оценки канала распространения радиоволн 17, а также на второй вход блока формирования компенсирующего сигнала 19. С выхода блока цифро-аналогового преобразования 3, сигнал последовательно проходит через первый блок преобразования частоты 4, и первый усилитель 5, с выхода последнего "пилот сигнал" поступает на вход первого фильтра 6 и далее излучается передающей антенной 7. Также "пилот сигнал" с выхода первого усилителя 5 поступает на вход фазовращателя 8, далее на вход первого блока задержки 9. С выхода первого блока задержки 9, "пилот сигнал" поступает на вход блока ослабления 10. Фазовращатель, первый блок задержки и ослабления настраиваются (в ручном либо автоматическом режиме), таким образом, чтобы сигнал прошедший через эти блоки и поступивший на первый вход первого суммтора 13, совпадал по мощности и задержке с сигналом поступившим на второй вход сумматора 13, но при этом был в противофазе, с той целью, чтобы максимально скомпенсировать прямой сигнал излученный антенной 7 и поступивший в приемную антенну 11.
Излученный передающей антенной 7, "пилот сигнал", пройдя через многолучевой канал распространения радиоволн, принимается приемной антенной 11, поступает на вход второго фильтра 12, где производится фильтрация принимаемых сигналов, и выделение сигналов заданной полосы частот.
Далее "пилот сигнал" последовательно проходит через сумматор 13, где производится компенсация прямого луча, второй усилитель 14, второй блок преобразования частоты 15, блок аналого-цифрового преобразования 16. С первого выхода блока аналого-цифрового преобразования 16 "пилот сигнал" поступает на вход второго блока задержки 20, а со второго выхода блока 16, "пилот сигнал" поступает на второй вход блока оценки канала распространения радиоволн 17. В блоке 17 по исходному "пилот сигналу" и "пилот сигналу", прошедшему канал распространения радиоволн, формируется оценка канала распространения радиоволн (оценка передаточной функции и импульсной характеристики), между передающей антенной 7, и приемной антенной 11, с учетом компенсации прямого луча после суммирования в блоке 13. Работа блока 17 (блок оценки канала распространения радиоволн) раскрыта в описании полезной модели №115591 «Устройство для оценки передаточной функции канала распространения радиоволн». В данной полезной модели оценка канала распространения радиоволн производится по "пилот сигналу", в цифровом виде. Оценка канала РРВ может быть произведена любым известным методом, например [3]. Оценку импульсной характеристики канала РРВ полученную в блоке 17 обозначим h(m). Полученная в блоке 17 оценка канала РРВ, сохраняется в буферном запоминающем устройстве 18, она необходима на последующих этапах, для формирования компенсирующего сигнала в блоке 19, для устранения переотражений "сигнала помехи" вызванного многолучевостью канала РРВ, а также энергии прямого луча, оставшейся после аналоговой компенсации.
После получения оценки канала РРВ, между передающей 7 и приемной 11 антеннами устройства, устанавливается связь с удаленным приемо-передающим пунктом и начинается передача и прием информационных сигналов. На вход устройства 1 поступает информационный сигнал, в блоке формирования сигналов 2 производится обработка информационного сигнала (помехоустойчивое кодирование, перемежение, модуляция). На выходе блока формирования сигналов 2 формируется дискретный сигнал S1(m), где m - номер отсчета дискретной последовательности. Сигнал S1(m) поступает на вход блока цифро-аналогового преобразования 3, где сигнал преобразуется в аналоговую форму. Далее сигнал S1(t) поступает на вход первого блока преобразования частоты 4, здесь производится перенос сигнала на несущую частоту, после чего сигнал в A раз усиливается в первом усилителе 5:
усил
S(t)=A·S1(t)·sin(2πft+φ)+n,
где S1(t) - модулированный информационный сигнал,
f - несущая частота сигнала,
φ - начальная фаза,
t - время,
n - шум.
усил
пр
пол
пом
С выхода первого усилителя 5 сигнал S(t) проходит через первый фильтр 6, и далее поступает на вход передающей антенны 7, откуда излучается в удаленный приемо-передающий пункт. Однако, сигнал из передающей антенны 7, через среду распространения, посредствам электромагнитных волн, поступает также в приемную антенну 11 данного устройства. Поскольку предлагаемое устройство работает в режиме полного дуплекса, т.е. передача сигнала удаленному приемному пункту, а также прием сигналов от удаленного передающего пункта производятся одновременно, в одной полосе частот, то собственный сигнал, поступивший из передающей антенны 7, в приемную антенну 11 предлагаемого устройства, создает значительные помехи приему "полезного сигнала", от удаленного приемо-передающего пункта, поскольку мощность собственного "сигнала помехи" на десятки дБ превосходит мощность полезного информационного сигнала от удаленного передающего пункта. Таким образом, в приемной антенне принимается суммарный сигнала S(t): сумма "полезного сигнала", от удаленного передатчика S(t), и "сигнала помехи" S(t). При наличии многолучевого канала распространения радиоволн, в приемной антенной также будут приниматься переотраженные сигналы.
пр
пом
пол
S(t)=S(t)+S(t)+n,
пом
пом_пр
Sпом_отр
S(t)=S(t)+(t),
пом_пр
0
0
S(t)=A1·S1(t)·sin(2πft+φ1)+n,
пол
пол_пр
пол_отр
S(t)=S(t)+S(t)
пол_пр
0
0
S(t)=A2·S2(t)·sin(2πft+φ2)+n,
пол_пр
S - прямой "сигнал-помеха",
пом_отр
S - отражения "сигнала-помехи", вызванные многолучевостью канала РРВ,
пол_пр
S - прямой "полезный сигнал",
пол_отр
S - отражения "полезного сигнала", вызванные многолучевостью канала РРВ,
0
A1 - амплитуда прямого "сигнала-помехи",
i
A1 - амплитуда i-ого переотраженного "сигнала-помехи",
l - количество переотраженных "сигналов-помех",
0
A2 - амплитуда прямого "полезного сигнала",
j
A2 - амплитуда j-ого переотраженного "полезного сигнала",
k - количество переотраженных "полезных сигналов",
S1(t) - модулированный информационный сигнал на выходе блока цифро-аналогового преобразования 3 предлагаемого устройства,
S2(t) - модулированный информационный сигнал удаленного передатчика,
f - несущая частота сигнала,
0
φ1 - начальная фаза прямого "сигнала-помехи",
i
φ1 - начальная фаза i-ого переотраженного "сигнала-помехи",
0
φ2 - начальная фаза прямого "полезного сигнала",
j
φ2 - начальная фаза j-ого переотраженного "полезного сигнала",
i
τ1 - задержка i-ого переотраженного "сигнала-помехи" относительно прямого "сигнала-помехи",
j
τ2 - задержка j-ого переотраженного "полезного сигнала" относительно прямого "сигнала-помехи",
усил
комп
пр
причем A1>>A2. Для демодуляции "полезного сигнала", необходимо устранить влияние "сигнала помехи". Для этого сигнал S(t) с выхода первого усилителя 5 поступает на вход фазовращателя 8, после чего сигнал последовательно проходит через блок первый блок задержки 9 и блок ослабления 10. На выходе блока ослабления 10 формируется "компенсирующий сигнал". Задержка и ослабление сигнала в блоках 9 и 10 производятся таким образом, чтобы компенсирующий сигнал как можно более точно совпадал с "сигналом помехой", но был в противофазе. Компенсация "сигнала помехи" производится в первом сумматоре 13. На первый вход первого сумматора 13 поступает сигнал S(t), на второй вход первого сумматора 13 поступает сигнал S(t), принятый приемной антенной 11, и прошедший через второй фильтр 12
пом_пр
комп
пр1
В случае если , то прямой "сигнал-помеха" S(t) и компенсирующий сигнал S(t) практически полностью исключат друг друга, таким образом, на выходе первого сумматора 13 имеем сигнал S(t),
пр1
пом_отр
пол_пр
пол_отр
S(t)=S(t)+S(t)+S(t)+n,
Для максимального устранения принятых отражений «сигнала помехи», вызванных многолучевостью канала РРВ, проводится дополнительная цифровая обработка.
пр1
пр1
С выхода первого сумматора 13, сигнал S(t), поступает на вход второго усилителя 14, где сигнал усиливается, и далее поступает на вход второго блока преобразования частоты 15, откуда на вход блока аналого-цифрового преобразования 16. Обозначим оцифрованный сигнал как S(m).
пр1
пом_отр
пол_пр
пол_отр
S(m)=S(m)+S(m)+S(m)+n,
пом_отр
пом_отр
S(m) - сигнал, соответствующий сигналу S(t) после усиления, преобразования частоты и оцифровки,
пол_пр
пол_пр
S(m) - сигнал, соответствующий сигналу S(t), после усиления, преобразования частоты и оцифровки,
пол_отр
пол_отр
S(m) - сигнал, соответствующий сигналу S(t), после усиления, преобразования частоты и оцифровки,
пр1
комп
комп
комп
пр
комп
пом_отр
пом_отр
пр2
С выхода блока аналого-цифрового преобразования 16, сигнал S(m) поступает на вход второго блока задержки 20. В блоке 19 производится формирование компенсирующего сигнала, на основании сигнала сформированного в блоке 2 и оценке канала РРВ хранящейся в блоке 18. Компенсирующий сигнал S(m) может быть записан следующим образом: S(m)=ifft(fft(S1(m))·fft(h(m))), где: fft - операция прямого быстрого преобразования Фурье, ifft - операция обратного быстрого преобразования Фурье. Второй блок задержки 20 используется для того, чтобы поступающие на первый и второй входы второго сумматора были синхронизированы. С выхода блока 19, компенсирующий сигнал S(m) поступает на второй вход второго сумматора 21, где складывается с сигналом S(m). Компенсирующий сигнал S(m) с выхода блока 19, практически полностью повторяет сигнал S(m), но находится с ним в противофазе. Таким образом, производится компенсация "сигнала-помехи", S(m), вызванного многолучевостью канала РРВ. Запишем сигнал S(m), на выходе второго сумматора 21:
пр
пол_пр
пол_отр
S2(m)=S(m)+S(m)+n,
пр2
С выхода второго сумматора 21 сигнал S(m), поступает на вход блока демодуляции сигнала 22, где производится демодуляция (декодирование, деперемежение), и извлекается информационная последовательность, которая поступает на информационный выход 23 предлагаемого устройства. Оценку канала РРВ между передающей антенной 7 и приемной антенной 11 предлагаемого устройства, следует периодически повторять, частота повторения зависит от скорости изменения канала РРВ (время когерентности). Описанные выше операции позволяют получить развязку, между передающим и приемным трактом, порядка 100 дБ, которая достигается за счет аналоговой компенсации "сигнала помехи", цифровой компенсации, производимой после аналого-цифрового преобразования, а также за счет физического разнесения приемной 7 и передающей 11 антенн предлагаемого устройства.
Повышение скорости передачи информации достигается за счет работы устройства в полнодуплексном режиме (одновременная передача и прием информации в одной полосе частот), что позволяет максимально эффективно использовать выделенный частотно-временной ресурс, и может достигать от 1,5 до 2 раз, по сравнению с устройством прототипом.
1. Пат. РФ №2371852, МПК H04B 7/24. Система радиосвязи с ретранслятором. Опубл. 27.10.2009
2. Пат. РФ №2423002, МПК H04J 13/00. Устройство приема и передачи OFDM-сигналов с повышенной помехоустойчивостью. Опубл. 20.02.2010
3. Е.П. Ворошилин, Е.В. Рогожников, А.С. Вершинин, Метод повышения точности оценки передаточной функции канала распространения радиоволн / Известия Томского политехнического университета. 2011. Т. 319. №5, с. 133-137.