СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИЗВЕЩЕНИЙ ДЛЯ СИСТЕМ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЙ ОХРАНЫ
METHOD FOR TRANSFER OF NOTICES FOR CENTRALISED SECURITY SYSTEMS

Изобретение относится к системам охраны с использованием радиосвязи и предназначено для передачи по радиоканалу извещений от объектов охраны на пункт централизованной охраны (ПЦО).
Известно, что в беспроводной аппаратуре охранных систем активно используются способы передачи извещений со скачкообразной сменой рабочих частот с расширением спектра (FHSS, Frequency-Hopping Spread Spectrum), при котором вся полоса частот, в диапазоне которой псевдослучайным образом может быть выбрана рабочая частота для передачи отдельного извещения, шире спектра сигнала отдельного извещения. Таким образом, на приемной стороне становится возможным организовать узкополосную фильтрацию принимаемого сигнала извещения, тем самым повысив помехоустойчивость приема. Псевдослучайный выбор рабочей частоты обеспечивает ряд положительных качеств: защита от преднамеренных помех, имитостойкость, статистически предсказуемая вероятность наложений сообщений друг на друга.
Однако применение FHSS сигналов порождает ряд проблем, таких как: необходимость определения текущей рабочей частоты узкополосного сигнала отдельного извещения в полосе частот FHSS сигнала, обеспечения высокого уровня фильтрации узкополосного сигнала отдельного извещения, обеспечения одновременной обработки нескольких каналов приема в полосе частот FHSS сигнала. Эти проблемы решаются с разной степенью успешности в приведенных ниже аналогах.
Изобретение по патенту US №6870875, Н04В 1/69 предусматривает выбор по псевдослучайному алгоритму не только несущей частоты, но и временных интервалов между передачей посылок. Для того чтобы обеспечить ортогональность (то есть не допустить частотного и/или временного наложения) пакетов сообщений, в нем используют взаимодействие генераторов случайных чисел всех охраняемых объектов. В ПЦО для каждого объекта используют отдельный приемник, содержащий сложный синхронизатор или сложные узлы быстрого поиска позиций пакетов объекта по спектру и по времени или то и другое. Кроме того, данному способу свойственны невысокая чувствительность, малые расстояния устойчивой связи и малое допустимое количество позиций пакетов, вследствие необходимости выделения для каждой частотной позиции пакета широкой полосы, не меньшей суммарной нестабильности частот передатчика и приемника.
Известно техническое решение по патенту RU 2295778, G08B 25/10, в котором осуществляется коррекция частотных и временных позиций передатчиков охраняемых объектов по пакету сигналов из центра охраны с соответствующей поправкой. Данное решение позволяет повысить ортогональность сообщений, передаваемых множеством охраняемых объектов, однако это ведет к резкому удорожанию системы охраны из-за введения обратного канала связи, который к тому же требует дополнительного частотно-временного ресурса, что снижает емкость системы охраны, то есть максимальное количество охраняемых объектов.
Для изобретений по патентам RU №2231458, В60R 25/00, RU №2244642, В60R 25/00, RU №2258618, В60R 25/00, RU №2264937, В60R 25/00, RU №2265250, G08В 25/08, RU №2244959, В60R 25/10 характерна недостаточная спектральная эффективность радиосигнала, излучаемого передатчиком охраняемого объекта, кроме того, используемые методы обработки имеют существенные ограничения по качеству фильтрации узкополосных каналов в ПЦО.
БИТ
СЛ
СЛ
БИТ
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ передачи извещений для систем централизованной охраны транспортных средств и объектов недвижимости по патенту RU №2228275, В60R 25/10, согласно которому после возникновения каждого управляющего события на объекте охраны формируют извещение, при формировании которого анализируют управляющее событие, и по результату анализа определяют последовательный двоичный код извещения с известным количеством разрядов М, передают сигнал с кодом при постоянной продолжительности T передачи каждого двоичного символа по радиоканалу на пункт централизованной охраны, где принимают сигнал с кодом извещения, дешифрируют и проверяют совпадение кода этого сигнала с одним из допустимых для приема кодов извещений, а в зависимости от принятого кода извещения формируют световые и звуковые сигналы и/или отправляют соответствующий сигнал тревожного предупреждения по установленной для предупреждений линии связи, отличающийся тем, что при передаче сигнала с последовательным двоичным кодом извещения в течение времени каждой передачи первого из логических символов, например логической "1", формируют и передают сигнал с частотой F, случайно или псевдослучайно выбранной из допустимого для передачи диапазона частот в момент начала передачи извещения, а в течение времени каждой передачи второго логического символа, например логического "0", - сигнал с частотой F+ΔF, превышающей частоту передачи первого логического символа на фиксированный частотный интервал ΔF, а в пункте централизованной охраны с помощью фильтров выделяют в допустимом для приема диапазоне частот участки каналов с шагом, в установленное целое число К раз меньшим строго фиксированного частотного интервала ΔF, в каждом канале определяют установленное число Р аддитивных функций принятого сигнала извещения за время, равное продолжительности Т с равномерным смещением момента окончания определения каждой аддитивной функции в любом из каналов на интервал, равный отношению
БИТ
Т к Р, сравнивают между собой в каждом из каналов аддитивные функции, для которых совпадают моменты окончания их определения, условно устанавливают, что первый из логических символов принят в тех каналах, для каждого из которых значение аддитивной функции превышает одновременно определенное значение аддитивной функции для канала с номером, большим на установленное целое число К, и второй из логических символов - в остальных каналах, определяют последовательности условно установленных логических символов для каждого канала и для каждого из моментов окончания определения аддитивной функции при общем числе символов в последовательности, равном количеству разрядов М в последовательном коде извещения, и сравнивают каждую из последовательностей с последовательными кодами допустимых для приема извещений.
Следует отметить два наиболее существенных частных признака прототипа. Первый касается способа формирования сигнала с кодом извещения на передающей стороне (на охраняемом объекте), по которому при передаче последовательного кода извещений изменяют амплитуду передаваемых сигналов, устанавливая в интервалах времени, близких к началу и к окончанию передачи каждого двоичного символа кода извещения, существенно меньшую амплитуду сигнала, чем амплитуда в средней части интервала передачи каждого двоичного символа кода извещения.
Второй признак касается способа обработки принимаемого сигнала на ПЦО, по которому при приеме извещения определяют аддитивную функцию с помощью быстрого преобразования Фурье с оконной функцией, выбранной для интервалов времени передачи каждого из разрядов последовательного кода.
Наиболее существенные недостатки прототипа заключаются в следующем.
СЛ
СЛ
Энергия полезного сигнала, передаваемого охраняемыми объектами, в моменты перехода между логическими символами не попадает в фильтры каналов, принимающих сигнал извещения, и поэтому никак не учитывается при принятии решения. Резкий переход между частотами F и F+ΔF значительно расширяет спектр передаваемого охраняемыми объектами сигнала, что увеличивает энергетические потери при фильтрации в ПЦО и служит дополнительными помехами для соседних сигналов других охраняемых объектов. Второй пункт формулы изобретения-прототипа предлагает использовать дополнительную амплитудную модуляцию сигнала извещения, что позволяет в некоторой степени уменьшить уровень боковых лепестков сигнала, передаваемого охраняемыми объектами, однако ведет к уменьшению энергии передаваемого сигнала извещения, а значит к уменьшению соотношения сигнал/шум (С/Ш) принимаемого в ПЦО сигнала, что также снижает вероятность правильного приема.
Определение аддитивной функции принимаемого сигнала с помощью преобразования Фурье (третий пункт формулы изобретения-прототипа) значительно ограничивает эффективность узкополосной фильтрации в ПЦО, так как при дискретной фильтрации на основе преобразования Фурье существует жесткая взаимная связь параметров крутизны амплитудно-частотной характеристики фильтров, ширины их полосы пропускания и уровня подавления внеполосных помех. Так, например, увеличивая число точек преобразования Фурье, можно сузить полосу пропускания каждого из каналов, однако это ведет к увеличению уровня межсимвольных искажений. Применение оконных функций позволяет повысить уровень подавления внеполосных помех, однако при этом расширяется полоса пропускания.
Таким образом, прототип обладает недостаточной эффективностью фильтрации участков каналов, недостаточной спектральной и энергетической эффективностью сигнала передаваемого охраняемыми объектами. Все эти недостатки ограничивают помехозащищенность, надежность, емкость и дальность системы охраны.
Задачей настоящего изобретения является повышение спектральной и энергетической эффективности радиосигнала, излучаемого передатчиком охраняемого объекта, обеспечение более узкополосной (близкой к оптимальной) фильтрации принимаемого сигнала, и, как следствие этих мер, повышение надежности, емкости, дальности и экономической эффективности системы охраны.
БИТ
СЛ
СЛ
БИТ
БИТ
Поставленная задача решается тем, что в способе передачи извещений для систем централизованной охраны, по которому на объекте охраны формируют последовательный двоичный код извещения с известным количеством разрядов М, передают сигнал с кодом при постоянной продолжительности T передачи каждого двоичного символа по радиоканалу на пункт централизованной охраны, где принимают сигнал с кодом извещения, дешифрируют и проверяют совпадение кода этого сигнала с одним из допустимых для приема кодов извещений, а в случае совпадения вырабатывают решение, соответствующее принятому извещению, причем при передаче сигнала с последовательным двоичным кодом извещения в течение времени каждой передачи первого из логических символов, например логической "1", формируют и передают сигнал с частотой F, случайно или псевдослучайно выбранной из допустимого для передачи диапазона частот в момент начала передачи извещения, а в течение времени каждой передачи второго логического символа, например логического ”0”, - сигнал с частотой F+ΔF, превышающей частоту передачи первого логического символа на фиксированный частотный интервал ΔF, а в пункте централизованной охраны с помощью фильтров выделяют в допустимом для приема диапазоне частот участки каналов с шагом, в установленное целое число К раз меньшим строго фиксированного частотного интервала ΔF, в каждом канале определяют установленное число Р функций принятого сигнала за время, равное продолжительности Т, с равномерным смещением момента окончания определения каждой функции принятого сигнала в любом из каналов на интервал, равный отношению T к P, для каждого из каналов и для каждого из моментов окончания определения функций принятого сигнала условно устанавливают принятый логический символ, определяют последовательности условно установленных логических символов для каждого канала и для каждого из моментов окончания определения функции принятого сигнала при общем числе символов в последовательности, равном количеству разрядов М в последовательном коде извещения, и сравнивают каждую из последовательностей с последовательными кодами допустимых для приема извещений, согласно заявляемому изобретению в пункте централизованной охраны принимают сигнал с кодом извещения хотя бы в одном из каналов, при этом в каждом из каналов и для каждого из моментов окончания определения функций принятого сигнала сравнивают значения функций принятого сигнала с заранее выбранным пороговым уровнем, условно устанавливают, что первый из логических символов принят в тех каналах, для каждого из которых значение функции принятого сигнала превышает значение порогового уровня, а второй - в тех каналах, для каждого из которых значение функции принятого сигнала не превышает значение порогового уровня.
ФМ
Кроме того, при приеме извещения определяют функцию принятого сигнала путем вычисления производной от фазовой функции x этого сигнала.
При этом в фильтрах используют квадратурную обработку принимаемого сигнала с последующей децимацией и низкочастотной фильтрацией синфазной и квадратурной составляющих.
СЛ
СЛ
СЛ
СЛ
При передаче последовательного кода извещений при формировании сигнала осуществляют плавную перестройку частоты с F на F+ΔF или с F+ΔF на F при смене передаваемого логического символа последовательного кода извещений.
Перечисленный набор операций позволяет осуществить более эффективную фильтрацию при приеме сигнала извещения на ПЦО, значительно снизив энергетические потери полезного сигнала; обеспечивает более компактный спектр сигнала; уменьшает уровень взаимных помех, вносимых передатчиками различных охраняемых объектов.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1-3.
На фиг.1 изображена обобщенная блок-схема, поясняющая принцип действия системы охраны, в которой реализован заявляемый способ в одном из возможных вариантов.
На фиг.2 изображены графики зависимости вероятности правильного приема от соотношения С/Ш в полосе FHSS сигнала для заявляемого способа и прототипа.
На фиг.3 изображены графики спектральной плотности мощности узкополосного сигнала одного извещения, передаваемого охраняемым объектом прототипа (график 1), и заявляемого способа (график 2), полученные путем моделирования в среде Matlab Simulink.
На фиг.1 использованы следующие обозначения: 1 - охраняемый объект, 2 - формирователь двоичной последовательности извещения, 3 - модулятор и передатчик охраняемого объекта, 4 - передающая антенна, 5 - ПЦО, 6 - приемная антенна, 7 - блок приема первичной обработки на промежуточной частоте (ПЧ) и аналого-цифрового преобразования, 8 - узкополосный цифровой фильтр, 9 - блок вычисления функции принимаемого сигнала, 10 -сумматор, 11 - блок принятия решения.
Согласно заявляемому способу, на охраняемых объектах 1 блок 2 формирует двоичную последовательность извещения, несущего информацию, которую необходимо передать от охраняемого объекта в ПЦО. Это может быть информация об определенном событии, состоянии датчиков или любая другая информация, необходимая для реализации охраны объекта. Обычно извещение состоит из нескольких частей, например: преамбула, синхрослово, код объекта охраны, код события. Вопросы формирования двоичной последовательности извещения лежат за рамками рассмотрения данного изобретения.
СЛ
СЛ
Блок 3 формирует радиосигнал в заданной полосе, при этом частота F радиосигнала, соответствующая одному из логических символов (например «0») двоичной последовательности извещения, определяется случайным или псевдослучайным способом, а частота, соответствующая второму из логических символов, - как F+ΔF, где ΔF - строго установленный интервал. Причем при переходе между частотой логического нуля и логической единицы или наоборот, изменение частоты происходит по определенному закону, обеспечивающему плавную перестройку частоты, а не скачкообразно. Этот блок может быть выполнен любым из известных способов формирования частотно-манипулированного (ЧМ) сигнала с плавной перестройкой частоты, например, на основе генератора, управляемого напряжением (ГУН) с предварительной фильтрацией управляющего напряжения с помощью гауссовского фильтра нижних частот (ГФНЧ) или с использованием модулятора на базе «процессора взаимокоррелированных сигналов» (см. Феер К. Беспроводная цифровая связь: Пер. с англ. / Под ред. В.И.Журавлева. - М.: Радио и связь, 2000, обл., с.472, рис.П3.1).
Посредством антенны 4 охраняемого объекта 1 радиосигнал передается на ПЦО 5, в котором через приемную антенну 6 передается в блок 7. Блок 7 выполняет предварительную селекцию и первичную фильтрацию всего широкополосного FHSS сигнала, его усиление, перенос на промежуточную частоту и аналого-цифровое преобразование. Современная элементная база и опыт реализации цифровых приемных устройств допускают множество вариантов исполнения блока 7 (см., например, Дингес С. Мобильная связь: технология DECT. - М.: Соломон-Пресс, 2003. - 160 с.: ил., глава 8. Архитектура приемопередатчиков мобильной связи). В частности, блок 7 может быть реализован в виде супергетеродинной схемы с одним или более преобразованием частоты и аналого-цифровым преобразованием как на низкой, так и на высокой частоте. Схема с переносом на низкую (близкую к звуковой) частоту позволяет использовать недорогие и высокоэффективные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и обеспечивает достаточно низкую частоту дискретизации для последующей цифровой обработки. В случае аналого-цифрового преобразования на высокой частоте можно избавиться от дополнительной ступени переноса на низкую ПЧ, тем самым повысив линейность приемного тракта, что очень важно для многоканального приемника. Кроме того, в этом случае можно использовать цифровые микросхемы DDC для понижения избыточной частоты дискретизации и цифровой фильтрации отсчетов сигнала с выхода высокоскоростного АЦП. Можно также использовать схему с субдискретизацией, например, как это показано в Digital IF Subsampling Using the HI5702, HSP45116 and HSP43220.: Application note, AN9509.2, 1998. - 6 p. - Режим доступа: http://www. intersil.com.
С выхода блока 7 цифровой широкополосный FHSS сигнал, содержащий узкополосные сигналы от объектов охраны, поступает на набор узкополосных фильтров 8. Число этих фильтров определяется произведением N на К, где N - число узкополосных каналов, помещающихся в полосу частот широкополосного FHSS сигнала, а коэффициент К равен отношению ширины полосы одного канала ΔF к шагу по частоте. Шаг по частоте ΔF/K (то есть разница частот между двумя соседними узкополосными фильтрами) выбирается исходя из соображений обеспечения заданной минимальной ошибки несовпадения центральной частоты узкополосного радиосигнала извещения и центральной частоты узкополосного фильтра 8, в который попадает данный радиосигнал. В сущности, если обеспечить точное соответствие центральных частот передатчиков и центральных частот узкополосных фильтров ПЦО, то можно взять К=1, однако это потребует использования дорогостоящих технических решений, которые будут обеспечивать стабильность частоты передатчика в зависимости от изменения температуры, старения радиоэлементов и других дестабилизирующих факторов, что обычно экономически неоправданно, поэтому как и в заявляемом способе, нестабильность частоты обычно компенсируют усложнением ПЦО, вклад в себестоимость системы которого уменьшается с увеличением количества охраняемых объектов. Здесь это выражается в увеличении числа узкополосных фильтров 8 ПЦО 5, расположенных с шагом по частоте, обеспечивающим необходимую максимально допустимую ошибку.
Например, если полоса частот широкополосного FHSS сигнала составляет 32 кГц, при N=512 и К=4, то число узкополосных фильтров 8 будет равняться 512·4=2048, разница частот нуля и единицы передатчика охраняемого объекта 1 составит ΔF=32кГц/512=62,5 Гц, шаг по частоте ΔF/K=62,5 Гц/4=15,625 Гц. Таким образом, любой сигнал, переданный с охраняемого объекта 1 в полосе частот FHSS сигнала, с разностью частот нуля и единицы ΔF, попадет один из узкополосных фильтров 8 ПЦО 5. В данном случае максимальная ошибка несовпадения центральных частот составит не более 7,8125 Гц, или 12,5% от ΔF. Для уменьшения этой ошибки можно увеличить К, тем самым повысив требования к производительности процессора, или увеличить полосу пропускания фильтров 8, тем самым уменьшив соотношение С/Ш на их выходе.
Узкополосные фильтры 8 выполняются в виде последовательного соединения квадратурного демодулятора (см., например, Скляр, Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, Изд. 2-е испр: Пер. с англ. - М., Издательский дом «Вильямс», 2004, с.235, рис.4.24, схема демодулятора), каскада дециматоров и фильтра нижних частот. Квадратурный демодулятор осуществляет формирование квадратурных составляющих I(t) и Q(t). Отсчеты квадратурных составляющих прореживаются дециматорами для устранения избыточной частоты дискретизации и обеспечения предварительной фильтрации, с целью снижения вычислительных затрат на основную селекцию узкополосного сигнала, которая осуществляется фильтром нижних частот с большой крутизной амплитудно-частотной характеристики. Эта схема узкополосной фильтрации позволяет добиться уровня фильтрации сигнала, близкого к оптимальной линейной фильтрации, при сравнительно невысоких вычислительных затратах процессора (см. Лайонс Р. Цифровая обработка сигналов: Второе издание. Пер. с англ. - М.: ООО «Бином-Пресс», 2006 г., с 382.).
БИТ
БИТ
БИТ
БИТ
БИТ
С выхода узкополосных фильтров квадратурный сигнал попадает на вход блока 9, который выполняет вычисление некоторой функции этого сигнала. В качестве такой функции может использоваться производная фазовой функции квадратурного сигнала . Для примера реализации на фиг.1 эту функцию вычисляют на интервалах времени Т/Р, а значения функции на интервале продолжительностью Т определяют при суммировании результатов Р последних вычислений и затем передают эти значения в решающий блок 11. Для этого значения производной фазовой функции с выхода блока 9 попадают на вход сумматоров 10, который и осуществляет суммирование результатов вычисления на интервале продолжительностью Т. Причем для каждого из узкополосных каналов имеется Р таких сумматоров, моменты передачи результатов в решающий блок 11 которых сдвинуты друг относительно друга на интервал Т/Р. Количество Р сумматоров определяет максимальную ошибку несовпадения момента вычисления функции принимаемого сигнала с моментом начала бита, который составляет не более Т/2Р. Свойство аддитивности для функции, вычисляемой в блоке 9, не является принципиальным, то есть эта функция может быть как аддитивной, так и неаддитивной, важно лишь, чтобы она извлекала из сигнала информацию, по которой можно принять решение относительно наличия в сигнале того или иного логического символа.
БИТ
Решающий блок 11 сравнивает значения на выходе каждого из сумматоров 10 с заранее выбранным пороговым уровнем, при этом если значение на выходе сумматора превышает значение порогового уровня, то принимается решение о том, что в данном канале с данным моментом окончания определения функции принятого сигнала был принят первый из логических символов, если же значение на выходе сумматора не превышает значение порогового уровня - второй из логических символов. Для рассматриваемого примера реализации заявляемого способа пороговый уровень определяется как разность значений функций принимаемого сигнала для первого и второго логического символа, определенных на интервале продолжительностью Т, при условии совпадения начала интервалов определения функций с началом логических символов в принимаемом сигнале. При совпадении центральной частоты фильтра 8 и центральной частоты узкополосного сигнала извещения эта разность будет равняться нулю. То есть в данном случае, если значение на выходе сумматора больше нуля, то условно устанавливают, что принят первый из логических символов, если же значение на выходе сумматора не превышает нулевого уровня - второй из логических символов. Таким образом, определяют последовательности условно установленных логических символов для каждого канала и для каждого из моментов окончания определения функции принятого сигнала. После этого сравнивают каждую из последовательностей условно установленных логических символов с последовательными кодами допустимых для приема извещений и в случае совпадения какой либо из последовательностей с одним из этих кодов вырабатывают решение, соответствующее принятому извещению, например, формируют световые и звуковые сигналы, отправляют соответствующий сигнал тревожного предупреждения по установленной линии связи или выполняют любое другое действие, необходимое для реализации охраны объекта 1, передавшего извещение на ПЦО 5. Важным моментом является только достоверность установления факта приема извещения, при этом вопросы выбора конкретных решений по факту приема извещения лежат за пределами области рассмотрения заявляемого изобретения.
Согласно заявляемому методу была разработана модель в среде Matlab Simulink, проведено ее испытание и сравнительный анализ результатов моделирования с результатами, полученными при моделировании способа прототипа. На основании этих результатов были получены графики зависимости вероятности правильного приема от соотношения С/Ш в полосе FHSS сигнала для заявляемого способа и способа прототипа, которые показаны на фиг.2. Из графиков видно, что наилучший из вариантов реализации способа прототипа для обеспечения такой же вероятности правильного приема, как в заявляемом способе, требует увеличения соотношения С/Ш минимум на 1,7 дБ при одинаковой скорости передачи данных. Из графиков на фиг.3 видно, что спектр узкополосного сигнала одного извещения заявляемого способа обладает значительно большей спектральной эффективностью как по ширине основного лепестка, так и по уровню боковых лепестков при одинаковой скорости передачи данных.
На основании данных математического моделирования можно сделать вывод, что задача настоящего изобретения была выполнена полностью, заявляемый комплекс мер позволяет повысить надежность, емкость, дальность и экономическую эффективность системы охраны.