УСТРОЙСТВО ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА ДИСКРЕТНОЙ ИНФОРМАЦИИ

Настоящая полезная модель имеет отношение к широкополосным системам связи, в которых используются шумоподобные сигналы на основе расширения спектра с помощью прямой псевдослучайной последовательности. Это могут быть наземные системы фиксированной связи с многостанционным доступом на основе кодового разделения каналов (МДКР).
Известна система, описанная в J.K.Holmes. Coherent Spread Spectrum System. Krieger Publishing company. Malabar. Florida. - 1990, p.624, с использованием широкополосных шумоподобных сигналов, содержащая передатчик и приемник. В передатчике входной информационный сигнал со скоростью  подается на кодер. Этот кодер кодирует входные биты информации в кодовые комбинации для передачи. Это может быть блоковый кодер или сверточный кодер как описано, например, в книге Дж.Кларк, Дж.Кейн «Кодирование с исправлением ошибок в системах цифровой связи.» - М. - Радио и связь. - 1987. - 391 стр.
Модулятор псевдослучайной последовательности модулирует и развертывает по спектру кодированный сигнал от кодера с помощью псевдослучайной
последовательности (ПСП), поступающей от генератора ПСП. Генератор несущей частоты генерирует сигнал, который модулируется развертывающим по спектру кодированным сигналом в модуляторе несущей частоты. Результирующий сигнал усиливается усилителем и излучается антенной.
В приемнике переданный сигнал принимается антенной и усиливается в усилителе. Блок восстановления несущей частоты и фазы восстанавливает по принятому сигналу опорный когерентный сигнал. С его помощью когерентный детектор детектирует принятый сигнал и выдает продетектированный сигнал на демодулятор ПСП и блок поиска и синхронизации по задержке. Блок поиска и синхронизации по задержке содержит внутренний генератор ПСП, который генерирует копии ПСП, используемые в генераторе ПСП на передаче. Блок поиска и синхронизации по задержке осуществляет синхронизацию между продетектированным сигналом и копией ПСП с местного генератора ПСП. Эти устройства описаны во многих книгах, например, А.И.Алексеев, А.Г.Шереметьев, Г.И.Тузов, Б.И.Глазов «Теория и применение псевдослучайных сигналов», изд-во Наука, М. 1969, фиг.6.7, 6.8, 6.12 или «Шумоподобные сигналы в системах передачи информации», под ред. Пестрякова В.Б. М., Сов. Радио, 1973, фиг.5.5.1, фиг.5.6.2.
После установления синхронизма блок поиска и синхронизации по задержке выдает сфазированную копию ПСП на демодулятор ПСП. Демодулятор ПСП демодулирует (свертывает по спектру) продетектированный сигнал и выдает
кодированный сигнал на решающий блок и декодер. Решающий блок и декодер принимает окончательное решение о передаваемых битах информации, свертывает и декодирует канальные биты в информационные биты, выдаваемые на выход.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является система передачи с расширением спектра, описанная в патенте США № Н 04 К 1/00 5414728 от мая 9, 1995 г. «Methods and apparatus for bifurcating signal transmission over in-phase and Quadrature phase spread spectrum communication channels».
Известная система содержит на передаче два информационных потока от пользователей 1-го канала и 2-го канала, которые передаются со скоростью  каждый по синфазному I и квадратурному Q каналам соответственно, или один высокоскоростной поток данных со скоростью  от пользователя общим каналом, который сначала демультиплексируется в демультиплексоре на два потока по  каждый и затем передается по синфазному I и квадратурному Q каналам как от отдельных пользователей 1-го и 2-го каналов. Два информационных потока поступают далее на кодер I канала и на кодер Q канала. Кодированные потоки поступают на блоки временной синхронизации и контроля мощности, где часть кодированных информационных бит замещается управляющими (служебными) битами. Сигнал каждого канала развертывается по спектру своей отдельной ПСП:
1
1
2
2
синфазный I канал с помощью ПСП, генерируемой генератором ПСП; квадратурный Q канал с помощью ПСП, генерируемой генератором ПСП. В модуляторах ПСП кодированные сигналы модулируют соответствующие ПСП. Развернутые по спектру данные суммируются с пилот-сигналами, генерируемыми генератором пилот-сигналов, на сумматорах I и Q каналов. Результирующие сигналы затем поступают на модуляторы несущих частот I канала и Q канала соответственно.
Синфазный сигнал, генерируемый генератором несущей частоты I канала, модулируется по фазе в модуляторе несущей частоты I канала с помощью результирующего сигнала от сумматора I канала и подается на суммирующий усилитель. Квадратурный сигнал, получаемый от генератора несущей частоты I канала с последующим сдвигом по фазе на 90° в фазовращателе, модулируется по фазе в модуляторе несущей частоты Q канала с помощью результирующего сигнала сумматора Q канала и подается на суммирующий усилитель.
После суммирования I и Q сигналов в суммирующем усилителе результирующий сигнал подается в антенну для передачи.
В приемнике сигнал принимается антенной, усиливается в усилителе и далее обрабатывается по I и Q каналам. Блок восстановления несущей частоты и фазы восстанавливает немодулированные синфазную I и квадратурную Q несущие и подает их раздельно на когерентный детектор. В когерентном детекторе раздельно детектируются синфазная I и квадратурная Q составляющие принятого результирующего сигнала и продетектированные I
1
2
1
2
1
2
и Q сигналы выдаются по двум раздельным выходам для дальнейшей обработки. Оба эти сигнала используются в блоке поиска и синхронизации по задержке для вхождения и поддержания синхронизма по задержке. После вхождения в синхронизм блок поиска и синхронизации по задержке фазирует генераторы ПСП и ПСП так, что фазы генерируемых копий ПСП с генераторов ПСП и ПСП совпадают с фазами ПСП принимаемых сигналов. В демодуляторе ПСП имеются два раздельных демодулятора для синфазного I и квадратурного Q сигналов, на которые подаются раздельно копии ПСП с генераторов ПСП и ПСП соответственно. В результате демодуляции (свертки сигналов по спектру) с выхода демодулятора поступают продетектированные сигналы без расширения спектра, которые подвергаются дальнейшей обработке в декодере и мультиплексоре.
В рассматриваемом ближайшем аналоге на каждую абонентскую станцию выделяются две ортогональные псевдослучайные последовательности (ПСП). Одна ПСП используется для прямого расширения спектра в синфазном канале, другая ПСП используется для прямого расширения спектра в квадратурном канале. Затем обе составляющих сигнала - синфазная и квадратурная - складываются в суммирующем усилителе и излучаются передатчиком на одной несущей частоте в направлении к получателю (приемнику центральной станции). При таком методе передачи излучаемый сигнал получается постоянного уровня (пикфактор огибающей равен единице), что позволяет использовать недорогие передатчики, работающие в нелинейном режиме.
Недостатками описанной в патенте 5414728 системы являются:
- ухудшение достоверности передаваемой информации за счет замещения части информационных бит управляющими (служебными) битами;
15
- в качестве пилот-сигналов для каждого пользователя используются сдвинутые друг относительно друга копии псевдошумовой последовательности длины 2, в следствии чего пилот-сигналы от разных абонентских станций на входе центральной станции не ортогональны друг другу;
- невысокая спектральная эффективность γ
Если В - скорость передачи информации по каждому (синфазному и квадратурному) информационному каналу, то максимальная допустимая входная скорость передачи абонентской станции равна 2В. При необходимости передавать в два, три, пять раз большую скорость требуется включение двух, трех, пяти абонентских станций. Такое решение является не экономичным. Спектральная эффективность этой системы равна
где 2В - входная скорость передачи абонентской станции;
ΔF - занимаемая ширина полосы частот;
М - число абонентских станций, работающих в одной и той же полосе частот в одно и то же время методом многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (МДКР).
При прямом расширении спектра база n ПСП приблизительно равна
ch
ch
с учетом того, что чиповая частота f приблизительно равна f≈ΔF. На каждую абонентскую станцию необходимо выделить две ПСП.
Поэтому число одновременно работающих станций М равно
с учетом того, что общее число ортогональных ПСП равно базе n сигналов.
Подставляя (3) в (1) окончательно получаем
Итак, спектральная эффективность у ближайшего аналога не максимальная (γ=1<2, где значение «2» соответствует максимально достижимой спектральной эффективности при QPSK модуляции, которая используется как в патенте 5414728, так и в предлагаемой полезной модели) и входная скорость передачи данных ограничена величиной . Целью настоящей полезной модели является создание системы для передачи дискретной информации, обладающей более высокой спектральной эффективностью (γ>1). Для достижения этого технического результата предлагается на каждой абонентской станции осуществлять модуляцию как с помощью инвертирования фазы ПСП, так и с помощью выбора одной из ПСП из общего числа N, где
Поставленная задача решается таким образом, что в центральную и абонентскую станции системы передачи и приема дискретной информации с использованием широкополосных шумоподобных сигналов при кодовом разделении каналов, содержащие в передатчике i-ые (i=1, ..., K) синфазный и квадратурный каналы от отдельных абонентов, выполненные идентично, и в состав каждого из которых входят кодер, вход которого является входом информационного сигнала, первые модуляторы, генератор псевдослучайной последовательности (ПСП), в состав суммарного (общего) синфазный канала входит сумматор и манипулятор, а в состав суммарного (общего) квадратурного канала входит сумматор, а также генератор несущей частоты, выход которого соединен с другим входом второго модулятора суммарного (общего) синфазного канала и через фазовращатель - с другим входом второго модулятора суммарного (общего) квадратурного канала, а выходы вторых модуляторов суммарных (общих) синфазного и квадратурного каналов через суммирующий усилитель соединены с антенной, а в приемнике - последовательно соединенные антенну, усилитель и когерентный детектор, а также синфазный и квадратурный каналы, в состав каждого из которых входят решающий блок и демодулятор, причем выходы когерентного детектора соединены соответственно с одним из входов демодуляторов синфазного и квадратурного каналов, а также генератор ПСП, в передатчик введен генератор чиповой частоты, а в состав синфазного и квадратурного каналов введены соответственно последовательно-параллельный преобразователь и коммутатор, причем в синфазном и квадратурном каналах выход кодера соединен со входом последовательно-параллельного
преобразователя, «K» выходов которого соединены с соответствующими управляющими входами коммутатора, выход которого и (k+1) выход последовательно-параллельного преобразователя подключены к соответствующим входам первого модулятора, a «N» выходов генератора ПСП соединены с соответствующими входами коммутаторов синфазного и квадратурного каналов, а выход генератора чиповой частоты соединен с тактовым входом генератора ПСП, управляющие выходы которого подключены к соответствующим считывающим входам последовательно-параллельных преобразователей синфазного и квадратурного каналов, а в приемник введены блок восстановления несущей частоты и блок поиска и синхронизации по задержке, а в состав синфазного и квадратурного каналов введены соответственно блок выбора максимума и последовательно соединенные коммутатор, параллельно-последовательный преобразователь и декодер, а демодуляторы синфазного и квадратурного каналов выполнены в виде N-канальных демодуляторов, при этом N выходов генератора ПСП подключены к соответствующим входам N-канальных демодуляторов синфазного и квадратурного каналов, в каждом из которых N выходов N-канального демодулятора подключены к соответствующим входам решающего блока и блока выбора максимума, «k» выходов которого подключены к соответствующим входам параллельно-последовательного преобразователя и к управляющим входам коммутатора, к входам которого подключены соответствующие выходы решающего блока, выходы блока восстановления несущей частоты подключены к соответствующим входам когерентного детектора, вход и управляющий вход
блока восстановления несущей частоты соединены соответственно с выходом усилителя и с одним из управляющих выходов генератора ПСП, другие управляющие выходы и управляющий вход которого соединены с соответствующими входами и выходом блока поиска и синхронизации по задержке, выходы которого подключены соответственно к управляющим входам параллельно-последовательных преобразователей синфазного и квадратурного каналов, к управляющим входам решающего блока и блока выбора максимума синфазного канала и к управляющим входам решающего блока и блока выбора максимума квадратурного канала.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1 и 2, где изображено предлагаемое устройство для передачи и приема дискретной информации.
На фиг.1 представлена структурная функциональная блок-схема i-ых синфазного и квадратурного каналов передатчика, на фиг.2 представлена функциональная блок-схема суммарных (общих) синфазного и квадратурного каналов передатчика, а на фиг.3 - функциональная блок-схема приемника.
В состав i-ого передающего канала передатчика (фиг.1) входят два идентичных канала - синфазный и квадратурный каналы, выполненные идентично, в состав которых входят кодеры 1 и 2, генератор чиповой частоты (ЧЧ) 3, последовательно-параллельные преобразователи 4 и 5, первые модуляторы 6 и 7, коммутаторы 8 и 9, генератор псевдослучайных последовательностей (ПСП) 10. В состав суммарных (общих) синфазного и квадратурного каналов передатчика (фиг.2) входят сумматоры 11 и 12,
манипулятор 13, вторые модуляторы 14 и 15, генератор несущей частоты (НЧ) 16, фазовращатель 17 на 90°, суммирующий усилитель 18 и антенна 19. В состав приемника (фиг.3) входят антенна 20, усилитель 21, когерентный детектор 22, синфазный и квадратурный каналы, в состав которых входят N-канальные демодуляторы 23 и 24, решающие блоки 25 и 26, коммутаторы 27 и 28, параллельно-последовательные преобразователи 29 и 30, блоки выбора максимума 31 и 32, блок восстановления несущей (ВН) 33, генератор ПСП 34, блок поиска и синхронизации по задержке 35, декодеры 36 и 37.
Устройство передачи и приема дискретной информации работают следующим образом.
k
Как показано на фиг.1, информационные данные могут поступать на входы кодеров 1 и 2 от двух независимых источников информации или от одного высокоскоростного источника через демультиплексор, на выходе которого скорость информационного потока понижается в 2 раза. После кодирования в кодерах 1 и 2 информация далее поступает на последовательно-параллельные преобразователи 4 и 5, распараллеливается на (k+1) выходов, в результате чего скорость на каждом выходе понижается в (k+1) раз. Сигналы с «k» выходов последовательно-параллельных преобразователей 4 и 5 поступают на управляющие входы коммутаторов 8 и 9. В зависимости от вида «k» двоичных информационных символов на управляющих входах коммутаторов 8 и 9 на выходах этих коммутаторов осуществляется выбор одной из N=2 ПСП от генератора ПСП 10. Сигнал с выхода (k+1) последовательно-параллельных преобразователей 4 и 5 подается на один из входов первых
Ii
Qi
модуляторов 6 и 7, в которых он подвергается псевдослучайной модуляции с помощью одной из выбранной с помощью коммутаторов 8 или 9 ПСП. Генератор ЧЧ 3 управляет генератором ПСП 10, управляющие выходы которого соединены со считывающими входами последовательно-параллельных преобразователей 4 и 5, чем обеспечивается синхронизация их, благодаря которой начало и конец каждой выбранной ПСП совпадает с началом и концом каждого бита информации. С выходах первых модуляторов 6 и 7 получаются потоки развернутых по спектру данных i-ых синфазного и квадратурного каналов S и Sсоответственно.
Ii
Qi
k
Как показано на фиг.2, потоки развернутых по спектру данных синфазных каналов S подаются на N входов сумматора 11. На (N+1)-й вход сумматора 11 поступает пилотная ПСП Р, получаемая с (2+1)-oгo выхода генератора ПСП 10 и подаваемая на манипулятор 13, на другой вход которого поступают управляющие (служебные) биты С и который замещает часть бит пилотной ПСП на управляющие (служебные) биты. Потоки развернутых по спектру данных квадратурных каналов S подаются на N входов сумматора 12. Выходы сумматоров 11 и 12 соединены со входами вторых модуляторов 14 и 15, на вторые входы которых поступает сигнал с выхода генератора НЧ 16 непосредственно и через фазовращатель на 90° 17. С выходов вторых модуляторов 14 и 15 сигналы через суммирующий усилитель 18 излучаются антенной 19.
Благодаря понижению скорости в преобразователях 4 и 5 можно осуществлять передачу высокоскоростной информации с большой базой ПСП.
Изменяя число используемых ПСП на данной станции можно менять скорость передачи без изменения базы n, чиповой частоты, занимаемой ширины полосы частот, что позволяет делать многоскоростные модемы без изменения параметров радиотракта передатчика и приемника.
k
k
Чтобы не загромождать структурную блок-схему приемника, на фиг.3 отображен только один из множества приемных каналов, предназначенный для обработки пары информационных сигналов. В приемнике сигнал от антенны 20 после усиления в усилителе 21 поступает на когерентный детектор 22 и блок восстановления несущей частоты и фазы 33. После выделения когерентной несущей и когерентного детектирования синфазной и квадратурной составляющих, видеосигналы этих составляющих поступают на N-канальные демодуляторы 23 и 24 синфазного и квадратурного каналов и одновременно на блок поиска и синхронизации по задержке 35, который после вхождения в синхронизм фазирует генератор 34 и работу решающих блоков 25 и 26, блоков выбора максимума 31, 32 и параллельно-последовательных преобразователей 29 и 30. N-канальные демодуляторы 23 и 24 имеют индивидуальные демодуляторы ПСП в количестве N=2 на каждую из возможных используемых ПСП на передаче. Поэтому на одном из индивидуальных демодуляторов ПСП будет осуществляться свертка сигнала по спектру, а на всех остальных (2-1) индивидуальных демодуляторах ПСП
результат свертки будет нулевым. Блоки выбора максимума 31 и 32 определяют по максимуму энергии индивидуальный демодулятор ПСП, на котором произошла свертка, и выдают k бит информации на параллельно-последовательные преобразователи 29 и 30 для преобразования их в последовательный код и k бит информации на коммутаторы 27 и 28 для выдачи того решения с решающих блоков 25 и 26, которые соответствуют индивидуальным демодуляторам ПСП, на которых произошла свертка. Один бит информации с выхода коммутаторов 27 и 28 и k бит с выхода блоков выбора максимума 31 и 32 преобразуются параллельно-последовательных преобразователях 29 и 30 в последовательный код с повышением скорости данных в (k+1) раз и выдаются на декодеры 36 и 37 и далее двум получателям раздельно или после мультиплексирования в мультиплексоре одному получателю с повышенной скоростью данных.
В зависимости от того, какая ПСП использовалась на передаче для принимаемых битов информации, свертка будет осуществляться в одном из подканалов N-канального демодулятора, каждый из подканалов которого содержит интегратор за длительность одного бита. Далее свернутый сигнал подается на решающий блок, который содержит решающее устройство на каждый из N подканалов.
Решающее устройство своего подканала определяет знак передаваемого бита ("+" или "-", т.е. 0 или 1). Одновременно свернутый сигнал с N-канального демодулятора поступает на блок выбора максимума. Блок выбора максимума определяет максимальное из напряжений на выходах N интеграторов и тем
самым определяет какая из N ПСП использовалась для данного конкретного набора k бит информации. С одной стороны блок выбора максимума через коммутатор открывает путь на выход тому решающему устройству N-канального решающего блока, в подканале которого наблюдается наибольший результат свертки. С другой стороны этот же блок выдает и решение о том наборе k бит информации, с помощью которых осуществлялся выбор одной ПСП из N на передаче. После этого k бит информации с выхода блока выбора максимума и один бит с выхода коммутатора преобразуются в параллельно-последовательном преобразователе в выходной поток синфазного или квадратурного канала, декодируются в декодерах 36 и 37 обоих каналов и выдаются со скоростью В б/с или дополнительно мультиплексируются в мультиплексоре в поток со скоростью 2В б/с.
В предлагаемой полезной модели база (длина) n ПСП определяется как
k
Максимальное число станций М с предопределенным числом N=2 ПСП плюс одна пилотная ПСП для каждой станции равно
Спектральная эффективность - γ всей системы из М станций равна
В предлагаемой полезной модели k=1, а именно: два информационных бита модулируются одной ПСП. Следовательно, спектральная эффективность системы равна γ= 1.33, что выше, чем в ближайшем аналоге.
Таким образом, предлагаемое устройство передачи и приема обладает более высокой спектральной эффективностью по сравнению с ближайшим аналогом.
В системе возможна одновременная работа нескольких станций с разными скоростями передачи информации.
Большим преимуществом предлагаемого устройства является возможность программной перестройки станций по запросам на разные скорости работы путем централизованного распределения общего ресурса ПСП между абонентами. Также преимуществом является то, что в качестве пилот-сигнала используется одна из набора ПСП, поэтому пилот-сигналы от многих абонентских станций на входе центральной станции являются ортогональными друг другу. А, вследствие того, что управляющие (служебные) биты передаются внутри пилот-сигнала, повышается достоверность передаваемых пользователем данных.
Полезная модель может быть осуществлена на соответствующей элементной базе по типовым технологиям.
Использование полезной модели позволит осуществлять предоставление всех видов широкополосных услуг, начиная с АДИКМ 32 кб/с, ИКМ 64 кб/с, 2B+D=144-192 кб/с, конференц связь 384 кб/с, доступ в Internet 512, 1024, 2048 кб/с при постоянной базе ПСП, постоянной чиповой частоте,
постоянной ширине полосы частот используемых сигналов без изменения параметров передатчика и приемника.
Источники информации:
1. J.K.Holmes "Coherent Spread Spectrum System", Krieger Publishing company, Malabar, Florida, 1990, p.624.
2. Дж.Кларк, Дж.Кейн "Кодирование с исправлением ошибок в системах цифровой связи", М.: Радио и связь, 1987, 391 стр.
3. А.И.Алексеев, А.Г.Шереметьев, Г.И.Тузов, Б.И.Глазов "Теория и применение псевдослучайных сигналов", М.: Наука, 1969, рис.6.7, 6.8, 6.12.
4. "Шумоподобные сигналы в системах передачи информации", под ред. Пестрякова В.Б., М., Сов. Радио, 1973, рис.5.5.1, рис.5.6.2.
5. Патент США №5414728, Н 04 К 1/00 от 9 мая 1995 г. "Methods and apparatus for bifurcating signal transmission over in-phase and Quadrature phase spread spectrum communication channels". - прототип