АППАРАТНАЯ ПЛАТФОРМА СПУТНИКОВОГО МОДЕМА
SATELLITE MODEM HARDWARE PLATFORM

Изобретение относится к сети спутниковой связи, использующей каналы множественного доступа с временным разделением каналов.
Известны спутниковые модемы, использующие протокол MF-TDMA (Multi-Frequency Time-Division Multiple Access-Многочастотный множественный доступ с временным разделением - протокол, используемый в спутниковой связи при передаче данных в обратном канале) и относящиеся к линейке модемов спутникового абонентского оборудования VSAT (Very Small Aperture Terminal - терминал с очень малой апертурой) DVB-S2 (стандарт на вещание цифрового спутникового телевидения). Для передачи информационных пакетов в таких модемах применяется OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing - мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов) с модуляцией QAM (Quadrature Amplitude Modulation - квадратурная амплитудная модуляция), QPSK (Quadrature phase-shift keying - квадратурная манипуляция фазовым сдвигом), n-PSK (n-phase-shift keying - n-фазовая манипуляция) и др. (см. ГОСТ Р 52210-2004 «Телевидение вещательное цифровое. Термины и определения»)
Примером такого модема является изобретение по патенту US 7738596 В2, опубл. 15.06.2010 г., МПК Н04В 7/19, в котором для передачи и приема пакетов информации используются классические модуляторы и демодуляторы на основе БПФ (быстрое преобразование Фурье) и видом модуляции QPSK с протоколом MF-TDMA.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является спутниковый модем (см. патент US 8230464 В2, опубл. 24.07.2012 г., МПК H04N 7/20), аппаратная платформа которого содержит Modulator (модулятор) и Demodulator (демодулятор) OFDM выполненные по классической схеме на основе БПФ, RF frontend (высокочастотный интерфейс), Downconverter (понижающий конвертор), Upconverter (повышающий конвертор), Tracking circuit (схему синхронизации), Sub-Channel Filter (фильтр подканала), Custom MAC Blok (блок интерфейса физического уровня). Передача пакетов информации выполняется по классическому OFDM с применением протокола MF-TDMA.
Недостатками известных технических решений являются использование в модуляторе и демодуляторе классического OFDM на основе БПФ, которое имеет низкую спектральную эффективность и высокую сложность в аппаратной реализации.
Для формирования и выделения, ортогональных поднесущих в OFDM-модемах спутниковой связи используется пара преобразований Фурье. Поэтому сигналы формируются и передаются в виде временных отрезков определенной структуры, называемых OFDM-символами. Для минимизации влияния эффектов межсимвольной интерференции между отдельными символами вводятся паузы - защитные интервалы (циклическое расширение). Передаваемый по каналу связи пакет состоит из N символов сигналов с OFDM (например, 23 символа с данными и 2 символа преамбулы). Каждый символ дополняется циклическим префиксом (ЦП) длиной 1/4 длительности сигнала с OFDM. Преамбула одинакова для всех пакетов, таким образом, формирование преамбулы происходит только один раз при формировании первого пакета. На приемной стороне изначально не известен момент прихода очередного символа. Кроме того, во избежание потери ортогональности поднесущих при демодуляции, требуется точное фазовое и частотное согласование приемника и передатчика во всей полосе принимаемых сигналов. Фазовое и частотное рассогласование обусловлено разбросом и нестабильностью частот опорных генераторов передатчика и приемника при переносе спектра и доплеровским сдвигом в подвижной связи. Реализация классического способа передачи данных с частотным уплотнением посредством прямого и обратного преобразования Фурье (ПФ) сталкивается с рядом трудностей, среди которых стоит отметить вычислительную сложность, особенно если учесть комплексное представление чисел. Несимметричность ПФ относительно мнимой единицы компенсируется выполнением операции перестановки исходных данных, требующей дополнительных вычислительных затрат. Расстановка частот OFDM поднесущих в многочастотной посылке выбирается так, чтобы сигнальные отклики в приемнике приходились на максимумы амплитудно-частотных характеристик (АЧХ), синтезированных в результате быстрого преобразования Фурье (БПФ) частотных фильтров. Условие ортогональности поднесущих приводит к серьезным недостаткам OFDM: ограниченная спектральная эффективность при использовании относительно широкой полосы частот за счет фиксированных поднесущих; отсутствие адаптивной перестройки частот поднесущих для отстройки от сосредоточенных по спектру помех; чувствительность к доплеровскому смещению частоты, что снижает возможности реализации высокоскоростной связи между движущимися объектами.
При постановке задачи повышения спектральной эффективности классической OFDM предложена структура аппаратной платформы модема с не ортогональным частотным мультиплексированием сигналов N-OFDM, сформированных в базисе Хартли. При таком подходе частотный разнос сигналов может быть меньше релеевского предела разрешения (1/Т), где Т - длительность пакета передачи. То есть в один частотный фильтр может попадать несколько поднесущих. Такой вариант уплотнения сигналов позволяет, помимо решения характерных для OFDM проблем, использовать частотное позиционирование в качестве ключа для дополнительной защиты информации, что невозможно в классической системе с OFDM, а также позволяет выполнить уплотнение поднесущих OFDM-сигнала не менее чем в четыре раза относительно классического OFDM. Как известно, схема обработки сигналов сформированных в базисе Хартли, идентична как на передающей стороне (обратное преобразование Хартли), так и на приемной стороне (прямое преобразование Хартли), а также является вещественным, что существенно упрощает аппаратную и программную реализацию спутникового модема. (https://sibsutis.ru/upload/iblock/681/Dissertation_V.V.Mavstrenko.pdf)
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение спектральной эффективности, позволяющей уменьшить полосу частот, занимаемую сигналом и снижение вычислительных ресурсов при оценке принимаемых амплитуд модифицированным методом Коши.
Указанный технический результат достигается тем, что в аппаратной платформе спутникового модема первый выход блока интерфейса физического уровня подключен к входу первого преобразователя последовательного кода в параллельный, выход которого соединен с первым входом блока обратного преобразования Хартли, ко второму входу которого подключен выход первого формирователя сигнальной матрицы, а выход к входу первого преобразователя параллельного кода в последовательный, выход которого соединен со входом повышающего конвертора, соединенного со входом высокочастотного интерфейса, подключенного к входу и выходу антенной системы, при этом второй выход высокочастотного интерфейса соединен со входом понижающего конвертора, выход которого соединен со входом схемы синхронизации, выходом подключенной к входу фильтра подканала, выход которого соединен со входом второго преобразователя последовательного кода в параллельный, соединенного выходом с первым входом блока оценки амплитуд методом Коши, второй вход которого подключен к выходу второго формирователя сигнальной матрицы, выход блока оценки амплитуд методом Коши подключен к пороговому устройству, соединенному выходом со входом второго преобразователя параллельного кода в последовательный, выход которого подключен ко второму входу блока интерфейса физического уровня, подключенного к внешнему оборудованию.
Использование в предлагаемом техническом решении блока обратного преобразования Хартли вместо модулятора, а также блока оценки амплитуд методом Коши вместо демодулятора снижает частотную полосу пропускания канала, тем самым, повышая спектральную эффективность.
Введенные в аппаратную платформу спутникового модема первый и второй преобразователи последовательного кода в параллельный, первый и второй формирователи сигнальной матрицы, первый и второй преобразователи параллельного кода в последовательный, а также пороговое устройство выполняют вычислительные функции для блоков обратного преобразования Хартли и оценки амплитуд методом Коши, тем самым формируя более узкий спектр частот для передачи информационных пакетов, что способствует достижению поставленной цели.
На фиг. приведена структурная схема аппаратной платформы спутникового модема.
Аппаратная платформа спутникового модема содержит высокочастотный (ВЧ) интерфейс 1, вход которого соединен с выходом повышающего конвертора 2, а выход со входом понижающего конвертора 6, вход повышающего конвертора 2 соединен с выходом первого преобразователя параллельного кода в последовательный 3, вход которого, соединен с выходом блока обратного преобразования Хартли 4, выход первого преобразователя последовательного кода в параллельный 5 соединен с первым входом блока обратного преобразования Хартли 4, второй вход которого, соединен с выходом первого формирователя сигнальной матрицы 7, вход первого преобразователя последовательного кода в параллельный 5 соединен с первым выходом блока интерфейса физического уровня 8, первый вход и второй выход которого соединены с внешним оборудованием, а второй вход с выходом второго преобразователя параллельного кода в последовательный 15, вход которого соединен с выходом порогового устройства 14, блок оценки амплитуд по методу Коши 13 первым и вторым входами соединен с выходами второго формирователя сигнальной матрицы 10 и второго преобразователя последовательного кода в параллельный 12 соответственно, а выходом со входом порогового устройства 14.
Понижающий конвертор 6 выходом соединен со входом схемы синхронизации 9, выход которой соединен со входом подканала 11, который своим выходом соединен со входом второго преобразователя последовательного кода в параллельный 12.
Аппаратная платформа спутникового модема работает следующим образом.
ВЧ интерфейс 1 выполняет функцию приемопередатчика, который имеет входы и выходы на антенную систему. Принятый сигнал ВЧ интерфейсом 1 поступает на понижающий конвертор 6, выполняющий функцию переноса принятого сигнала с несущей частоты на низкую частоту, далее принятый сигнал, содержащий информационные пакеты, поступает на схему синхронизации 9, выполняющую временную синхронизацию по протоколу MF-TDMA и временному разделению принятых информационных пакетов. Принятые схемой синхронизации 9 информационные пакеты с ее выхода поступают на фильтр подканала 11, выполняющего канальную фильтрацию принятых информационных пакетов, и далее с его выхода информационные пакеты поступают на второй преобразователь последовательного кода в параллельный 12, который формирует сигнал в матричном виде, подходящем для дальнейшей оценки принятых амплитуд информационных пакетов в блоке оценки амплитуд методом Коши 13. На блок оценки амплитуд методом Коши 13 поступают опорные сигналы в матричном виде со второго формирователя сигнальной матрицы 10, выполняющего функцию генератора опорных сигналов. Далее блок оценки амплитуд методом Коши 13 выполняет частотное разделение поднесущих OFDM-сигнала в принятых информационных пакетах, и передает информационные биты в пороговое устройство 14, выполняющего функции регенерации принятых информационных битов, с которого информационные биты в параллельном коде подаются во второй преобразователь параллельного кода в последовательный 15, выполняющего последовательное преобразование информационных битов, которые поступают в блок интерфейса физического уровня 8 и с него на внешнее оборудование, например, к локальной вычислительной сети. Передаваемые информационные биты от внешнего оборудования поступают на первый вход блока интерфейса физического уровня 8, в котором группируются в информационные пакеты по протоколу MF-TDMA и с его первого выхода поступают на первый преобразователь последовательного кода в параллельный 5, который формирует матрицу информационных пакетов, и с его выхода информационные пакеты поступают на первый вход блока обратного преобразования Хартли 4, а на второй вход этого блока поступают опорные сигналы с выхода первого формирователя сигнальной матрицы 7, выполняющего роль генератора опорных сигналов, и осуществляется модуляция передаваемого сигнала и преобразование его в OFDM-сигнал. С выхода блока обратного преобразования Хартли 4 сформированный OFDM- сигнал поступает на вход первого преобразователя параллельного кода в последовательный 3, выполняющего формирование последовательного кода, с выхода которого информационные пакеты в последовательном коде поступают на вход повышающего конвертора 2, выполняющего перенос на высокую частоту передаваемого в эфир OFDM-сигнала, с выхода которого OFDM-сигнал поступает на вход ВЧ интерфейса 1 и далее сигнал поступает в антенную систему.