УСТРОЙСТВО ТЕХНИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ
APPARATUS FOR TECHNICAL MONITORING OF DIGITAL SIGNALS

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в устройствах технического контроля цифровых сигналов, в частности в устройствах технического контроля цифровых сигналов спутниковых систем связи (ССС).
ССС используют, в основном, цифровые методы передачи информации. В заданной полосе частот применяются фазовые и частотно-фазовые виды модуляции разной кратности при различных методах доступа к ретранслятору (транспондеру): многостанционный доступ с частотным разделением сигналов (МДЧР), многостанционный доступ с временным разделением сигналов (МДВР), многостанционный доступ с кодовым разделением сигналов (МДКР).
Стоимость услуг связи зависит от как полосы частот, занимаемой сообщением, так и от энергетического ресурса, задействуемого у транспондера. Стремление повысить энергетический ресурс и снизить его стоимость приводит к необходимости жесткой экономии выделенной полосы частот и к предельно возможному сокращению величины защитных интервалов. Отдельные фирмы, например ViaSat (оборудование StarWire и ArcLight, www.viasat.com), разработали и внедрили метод доступа к транспондеру РСМА (Paired Carrier Multiple Access). Основой РСМА является то, что при обмене информацией между парой станций сети используется общая полоса частот. Наиболее сложный режим работы РСМА - «carrier-in-carrier» (сдвоенная несущая частота). Принимаемый сигнал получают путем подавления своего собственного сигнала из комбинации на основе сдвоенной несущей частоты (Uplink РСМА-компенсатор). РСМА позволяет до 50% экономить ресурс, задействуемый у транспондера, и одновременно способствует повышению защиты данных пользователя, так как создает дополнительные препятствия для несанкционированного доступа.
Технический контроль таких сигналов связан с трудностями классификации и выделения посылок каждой станции.
Известно устройство контроля цифровых сигналов, входящее в состав земной станции спутниковой связи, описанной в источнике [1, с.182-186]. Устройство контроля цифровых сигналов содержит радиоприемное устройство (РПУ) и демодулятор цифровых сигналов, варианты построения которого описаны в том же источнике [1, с.268-300].
Устройство позволяет контролировать сигналы ССС при заданном виде манипуляции несущей частоты и априорно известном виде многостанционного доступа к транспондеру, следствием чего являются ограниченные функциональные возможности. Кроме того, аналоговое построение демодулятора цифровых сигналов снижает помехоустойчивость и не позволяет использовать быстродействующие и помехоустойчивые устройства при последующей последетекторной обработке цифровых сигналов. Эти недостатки ограничивают возможности применения известного устройства в станциях технического контроля цифровых сигналов.
Известно устройство технического контроля цифровых сигналов, входящее в состав станции технического контроля сигналов спутниковых линий связи по патенту RU 2176130 [2]. Устройство содержит РПУ и демодулятор цифровых сигналов. Имеется персональная электронно-вычислительная машина (ПЭВМ) с блоком программного обеспечения.
Демодулятор цифровых сигналов выполнен в виде последовательно соединенных разветвителя, первого коммутатора, когерентного фазового демодулятора сигналов с многостанционным доступом на основе МДЧР и второго коммутатора, причем второй выход разветвителя через когерентный фазовый демодулятор сигналов с многостанционным доступом на основе МДВР и кадровый сигнализатор пакетных сигналов с выделением произвольного пакета подключен к второму сигнальному входу второго коммутатора, а третий выход разветвителя через преобразователь сигналов с многостанционным доступом на основе МДКР в сигналы с МДЧР соединен с вторым входом второго коммутатора, при этом вход разветвителя является входом, а выход второго коммутатора - выходом демодулятора цифровых сигналов.
Технические параметры контролируемых сигналов определяются с помощью накопительного буфера и ПЭВМ с блоком программного обеспечения.
Известное устройство позволяет контролировать технические параметры цифровых сигналов систем связи с видами доступа к транспондеру МДЧР, МДВР и МДКР.
Функциональные возможности известного устройства ограничены. Это объясняется тем, что устройство не обеспечивает классификацию сигналов, использующих общую полосу частот, а при настройке на такой сигнал выделяет только посылки энергетически преобладающей станции.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство технического контроля цифровых сигналов, входящее в состав станции технического контроля по патенту RU 2224373 [3] (прототип). Устройство содержит последовательно включенные РПУ, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и первый демодулятор цифровых сигналов, причем на управляющий вход РПУ подан сигнал с выхода ПЭВМ, к первому входу которой подключен блок программного обеспечения, а второй вход через сигнальную шину соединен в выходом АЦП. Имеются блок последетекторной обработки и демультиплексор.
Известная станция технического контроля содержит два канала приема, демодуляции и обработки сигнальных посылок, которые могут находиться в различных стволах при общем сигнале синхронизации в одном из них.
Однако функциональные возможности известного устройства ограничены. Это объясняется тем, что устройство не обеспечивает классификацию сигналов РСМА, причем при настройке на такой сигнал осуществляется контроль только передач энергетически преобладающей станции. Сигналы второй станции, работающей на этой же частоте, остаются вне зоны контроля.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства технического контроля цифровых сигналов.
Поставленная цель достигается за счет того, что в известное устройство технического контроля цифровых сигналов, содержащее последовательно соединенные РПУ, АЦП и первый демодулятор цифровых сигналов, причем на управляющий вход РПУ подан сигнал с выхода ПЭВМ, к первому выходу которой подключен блок программного обеспечения, а второй вход через сигнальную шину соединен с выходом АЦП, введены второй демодулятор цифровых сигналов, измеритель отношения сигнал/шум, измеритель вероятности битовой ошибки, блок разделения сигнальных потоков, индикатор и электронный ключ, выход которого через блок разделения сигнальных потоков подключен к второму демодулятору цифровых сигналов, первый выход первого демодулятора цифровых сигналов соединен с входом измерителя вероятности битовой ошибки и вторым входом блока разделения сигнальных потоков, второй выход которого подключен к индикатору, выход АЦП через сигнальную шину соединен с измерителем отношения сигнал/шум, выходом измерителя вероятности битовой ошибки и входом электронного ключа, а второй выход первого демодулятора цифровых сигналов соединен с третьим входом блока разделения сигналов, при этом сигнальный вход РПУ является входом устройства технического контроля цифровых сигналов, первый выход первого демодулятора цифровых сигналов - первым выходом, а выход второго демодулятора цифровых сигналов - вторым выходом устройства технического контроля цифровых сигналов.
Предлагаемое устройство осуществляет сравнение значения вероятности битовой ошибки в принятом сигнале с расчетным значением ошибки, соответствующим отношению сигнал/шум на входе первого демодулятора цифровых сигналов при моностанционной работе, на базе полученных данных принимает решение о наличии режима РСМА, разделяет и демодулирует сигнальные потоки двух станций, что значительно расширяет функциональные возможности при контроле цифровых сигналов и существенно снижает потери полезной информации при мониторинге сигналов РСМА.
Сочетание отличительных признаков и свойства устройства технического контроля цифровых сигналов из литературы не известны, поэтому оно соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
На фиг.1 приведена функциональная схема устройства технического контроля цифровых сигналов; на фиг.2 - вариант функциональной схемы блока разделения.
Устройство технического контроля цифровых сигналов (фиг.1) содержит последовательно соединенные РПУ 1, АЦП 2 и первый демодулятор 3 цифровых сигналов. На управляющий вход РПУ 1 подан сигнал с выхода ПЭВМ 4, к первому входу которой подключен блок 5 программного обеспечения, а второй вход через сигнальную шину соединен с выходом АЦП 2. В устройство введены второй демодулятор 6 цифровых сигналов, измеритель 7 отношения сигнал/шум, измеритель 8 вероятности битовой ошибки, блок 9 разделения сигнальных потоков, индикатор 10 и электронный ключ 11, выход которого через блок 9 разделения сигнальных потоков подключен к второму демодулятору 6 цифровых сигналов. Первый выход первого демодулятора 3 цифровых сигналов соединен с входом измерителя 8 вероятности битовой ошибки и вторым входом блока 9 разделения сигнальных потоков, второй выход которого подключен к индикатору 10, выход АЦП 2 через сигнальную шину соединен с измерителем 7 отношения сигнал/шум, выходом измерителя 8 вероятности битовой ошибки и входом электронного ключа 11. Второй выход первого демодулятора 3 цифровых сигналов соединен с третьим входом блока 9 разделения сигнальных потоков. Сигнальный вход РПУ 1 является входом устройства технического контроля цифровых сигналов, первый выход первого демодулятора 3 цифровых сигналов - первым выходом, а выход второго демодулятора 6 цифровых сигналов - вторым выходом устройства технического контроля цифровых сигналов.
Вариант выполнения блока 9 разделения сигнальных потоков содержит (фиг.2) последовательно включенные корректор 9.1 задержки, вычитатель 9.2, на второй вход которого подан сигнал с выхода модулятора 9.3, фильтр 9.4 и интерфейс 9.5, при этом вход корректора 9.1 задержки является первым входом, первый вход модулятора 9.3 - вторым входом, второй вход модулятора 9.3 - третьим входом, выход фильтра 9.4 - первым выходом, а выход интерфейса 9.5 - вторым выходом блока 9 разделения сигнальных потоков.
Предлагаемое устройство технического контроля цифровых сигналов функционирует следующим образом.
Аналоговые радиочастотные сигналы подаются на вход РПУ 1. Настройкой приемника управляет ПЭВМ 4 в соответствии с программой, задаваемой блоком 5 программного обеспечения. Устройство может функционировать в двух основных режимах работы: панорамного обзора и контроля отдельных сигналов с помощью дисплея ПЭВМ 4.
В режиме панорамного обзора устройство контролирует заданный участок диапазона частот, при этом с выхода РПУ 1 сигналы через АЦП 2 и сигнальную шину подаются на второй вход ПЭВМ 4. На дисплее ПЭВМ 4 наблюдается панорама огибающих спектров частотно разделенных сигналов.
Работа устройства в данном режиме аналогична работе прототипа.
При появлении в участке диапазона сигналов РСМА, использующих сдвоенную несущую частоту, внешний вид панорамы огибающих спектров практически не изменится. Алгоритм дальнейшей работы устройства в режиме контроля отдельных выделенных априорно неизвестных сигналов следующий.
- В соответствии с программой блока 5 ПЭВМ 4 фиксирует настройку РПУ 1 на заданную оператором частоту, соответствующую настройке предположительно на сигнал РСМА. Электронный ключ 11 находится в запертом состоянии.
- С выхода АЦП 2 сигнал подается через сигнальную шину на измеритель 7 отношения сигнал/шум и на первый демодулятор 3 цифрового сигнала, который выделяет поток энергетически преобладающей станции и подает его на первый вход измерителя 8 вероятности битовой ошибки.
С
Ш
- Результат измерения отношения сигнал/шум (Р/Р) с блока 7 через сигнальную шину подается на второй вход ПЭВМ 4.
ош
- Результат измерения вероятности битовой ошибки р демодулированного блоком 3 сигнала через сигнальную шину подается на второй вход ПЭВМ 4.
ош
ошпот
С
Ш
- ПЭВМ 4 сравнивает величину р с значением р, которое соответствует величине (Р/Р) и близко к соответствующему значению потенциальной помехоустойчивости при работе только одной станции (отсутствии РСМА). При превышении заданного программой порога ПЭВМ 4 через сигнальную шину подает команду на включение электронного ключа 11.
- Сигнал РСМА с выхода АЦП 2 через электронный ключ 11 поступает на блок 9 разделения сигнальных потоков, на второй вход которого подается демодулированный сигнальный поток энергетически преобладающей станции, а на третий вход блока 9 подается восстановленная несущая частота с второго выхода первого демодулятора 3 цифровых сигналов.
- Блок 9 вычитает из принятого сигнала посылки энергетически преобладающей станции и подает полученный сигнал второй станции сигнала РСМА на второй демодулятор 6 цифровых сигналов. Одновременно с второго выхода блока 9 сигнал второй станции поступает на индикатор 10, визуально фиксирующий наличие РСМА.
Блок 9 разделения сигнальных потоков (фиг.2) функционирует следующим образом. Сигнал РСМА через первый вход блока 9 подается через корректор 9.1 задержки на первый вход вычитателя 9.2. Сигнальный поток первой станции, выделенный первым демодулятором 3 цифровых сигналов через второй вход блока 9, подается на модулятор 9.3, несущая частота на который поступает через третий вход блока 9, и далее - на вычитатель 9.2.
Полученный в результате выполнения операции вычитания поток второй станции сигнала РСМА селектируется цифровым фильтром 9.4 и подается на первый выход блока 9 (для обработки вторым демодулятором 6 цифровых сигналов) и через интерфейс 9.5 - на второй выход блока 9 для запуска индикатора 10.
Измеритель 7 отношения сигнал/шум может быть выполнен, например, аналогично описанному в патенте России [4]. Измерение уровня шумов может производиться в защитном интервале (между соседними стволами сигналов), что повышает вероятность правильной оценки.
Измеритель 8 вероятности битовой ошибки может быть выполнен, например, на базе схемы контроля синхросигнала [5]. Измеритель 8 обнаруживает синхросигнал и в заданном интервале времени осуществляет оценку числа ошибок при его контроле.
ош
ошпот
,
Устройство технического контроля цифровых сигналов определяет реальное отношение сигнал/шум при контроле сигнала, одновременно определяет вероятность битовой ошибки р на выходе демодулятора 3 цифровых сигналов и сравнивает с потенциальным значением Р  соответствующим потенциальной помехоустойчивости при контроле стандартного сигнального потока одной наземной станции [6, с.256, рис.4.35]
,
S
B
2
где E=E(log М) - энергия, приходящаяся на символ;
k
М=2 - размер множества символов;
Q(x) - Гаусов интеграл ошибки;
S
0
E/N - отношение энергии бита к спектральной плотности мощности шума.
ош
рошпот
Энергетически более слабый априорно неизвестный сигнал воспринимается первым демодулятором 3 цифровых сигналов как шум, вследствие чего реальное значение р заметно выше р. Сравнение осуществляется в ПЭВМ 4, в которую введены данные с блока 5 программного обеспечения.
Модулятор 9.3 может быть выполнен, например, аналогично описанному в патенте России [7].
Индикатор 10 может быть выполнен, например, в соответствии с рекомендациями источника [8].
Устройство технического контроля цифровых сигналов может быть реализовано в составе станции технического контроля сигналов ССС или в виде автономного АРМ - автоматизированного рабочего места на основе персонального компьютера [9, с.1035].
Экспериментальная проверка устройства технического контроля цифровых сигналов показала правильность и достаточность принятых технических решений для существенного расширения функциональных возможностей прототипа за счет контроля сигналов РСМА.
Источники информации
1. Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь. М.: Связь, 1979.
2. Станция технического контроля сигналов спутниковых линий связи. Патент RU 2176130, Н04В 7/204, 17/00. Опубл. 20.11.2001 г.
3. Станция технического контроля сигналов спутниковых линий связи. Патент RU 2224373, Н04В 7/204, 17/00. Опубл. 20.12.2004 г.
4. Способ определения отношения сигнал/шум и устройство для его осуществления. Авторское свидетельство SU 1798738 А1 (патент России). G01R 29/26, опубл. 28.02.1993. Бюл. №8.
5. Схема контроля синхросигнала. Патент JP 3254726 В2, H04N 5/06, 5/22, 5/93, 12.05.1992.
6. Скляр Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. М.: Издательский дом «Вильямс», 2003.
7. Модулятор фазоманипулированных сигналов. Авторское свидетельство SU 1771077 А1 (патент России), H04L 27/20, опубл. 23.10.1992. Бюл. №39.
8. Игнатов А.Н. Оптоэлектронные приборы и устройства. - М.: Эко-Трендз, 2006.
9. Джон Ф.Уэйкерли. Проектирование цифровых устройств. Т.II. Постмаркет, М., 2006.