УСТРОЙСТВО ВЫБОРА РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ СЕТИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
DEVICE FOR SELECTION OF WORKING FREQUENCY FOR NETWORK OF RADIO-ELECTRONIC DEVICES

Изобретение относится к системам радиосвязи и может быть использовано при выборе частот излучения, которые обеспечивают электромагнитную совместимость (ЭМС) и малый уровень помех.
Известно устройство для реализации программно-аппаратного способа выбора рабочих частот в коллективе радиосредств, в котором при одновременной передаче радиосигналов вначале определяют возможные значения рабочих частот радиопередающих и радиоприемных устройств, а затем осуществляют проверку выбранных частот с точки зрения ЭМС радиосредств [1]. Для этого устройство содержит блоки, моделирующие основное и дополнительное излучения радиопередающих устройств (РПУ), блоки действующих радиоприемных устройств (РПрУ), блоки, моделирующие различного вида помехи, блоки формирования сетки частот, блок проверки возможности использования выбранных частот для РПУ и РПрУ, блок повторного выбора частоты, если первоначально выбранные частоты для РПУ и РПрУ оказываются несовместимыми. Данное устройство обеспечивает ЭМС, но не решает задачу оптимизации выбора рабочих частот таким образом, чтобы минимизировать их общее число, необходимое и достаточное для удовлетворительного функционирования сети радиосредств, а также не предусмотрены варианты работы устройства при наличии помех.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство выбора рабочей частоты сети радиоэлектронных средств, которое и выбрано за прототип [2]. В нем для обеспечения ЭМС при выборе частот излучения для передачи сигналов по радиолиниям разносы между выбранными частотами должны быть не меньше минимальных частотных разносов (МЧР). Это устройство считалось оптимальным, с точки зрения обеспечения ЭМС, если выбрана минимальная протяженность участка радиоспектра, занимаемого рабочими частотами с учетом использования МЧР. Для осуществления этого в устройстве выбора рабочей частоты сети радиоэлектронных средств имеются последовательно соединенные блок записи значений минимальных частотных радиусов между рабочими частотами, блок хранения МЧР, блок суммирования МЧР, блок ранжирования результатов суммирования, формирователь сетки частот, блок проверки электромагнитной совместимости (ЭМС) радиоэлектронных средств (РЭС), решающий блок, блок записи и хранения выбранных значений рабочих частот и блок распределения рабочих частот между РЭС. Входы блока выбора номера радиостанций для установки рабочих частот соединены с выходом блока ранжирования результатов суммирования и выходом решающего блока, а выход блока выбора номера радиостанций для установки рабочих частот соединен с входом блока проверки ЭМС РЭС. Выход блока записи и хранения выбранных значений рабочих частот соединен с входом «Сброс» блока проверки ЭМС РЭС, сигнальные входы которого соединены с выходом блока хранения МЧР. Блок исключения РЭС с назначенными частотами включен между выходом блока записи значений минимальных частотных разносов между рабочими частотами и входом блока суммирования МЧР, вход управления которого соединен с выходом блока записи и хранения выбранных значений рабочих частот. Адресный вход блока исключения РЭС с назначенными частотами соединен с выходом блока выбора номера радиостанций для установки рабочих частот.
Прототипу присущи следующие недостатки:
- не учитываются интермодуляционные помехи при приеме радиосигналов, такие как блокирование, перекрестная модуляция, создаваемые, в основном, комбинационными составляющими излучаемых радиосигналов, образуемые из-за наличия нелинейностей в передающем устройстве и взаимодействия мощных радиосигналов на нелинейностях антенно-фидерного тракта, например, на оксидных пленках в высокочастотных разъемах, работающих как полупроводниковый диод;
- процедуры, указанные в прототипе, проводятся в статическом режиме и могут быть использованы на стадии подготовки радиолиний к работе, а в динамике рабочие частоты должны выбираться не только с учетом ЭМС, но и с учетом характеристик передающих устройств и текущей помеховой обстановки.
Таким образом, основной технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение функциональных возможностей, а именно выбора рабочих частот в динамике не только с учетом минимальных частотных разносов, как в прототипе, но и с учетом наличия комбинационных составляющих и текущей помеховой обстановки, обеспечивая таким образом планирование связи.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройство выбора рабочей частоты сети радиоэлектронных средств, содержащее последовательно соединенные блок записи значений минимальных частотных разносов (МЧР) между рабочими частотами, блок хранения МЧР, блок суммирования МЧР, блок ранжирования результатов суммирования МЧР, формирователь сетки частот, блок проверки электромагнитной совместимости (ЭМС) РЭС, решающий блок, блок записи и хранения выбранных значений рабочих частот и блок распределения рабочих частот между РЭС, а также блок выбора номера радиостанций для установки рабочих частот, входы которого соединены с выходом блока ранжирования результатов суммирования и выходом решающего блока, а выход соединен с входом блока проверки ЭМС РЭС, при этом выход блока записи и хранения выбранных значений рабочих частот ЭМС соединен с входом «Сброс» блока проверки ЭМС РЭС, сигнальные входы которого соединены с выходом блока хранения МЧР, блок исключения РЭС с назначенными частотами, включенный между выходом блока записи значений МЧР между рабочими частотами и входом блока суммирования МЧР, вход управления которого соединен с выходом блока записи и хранения выбранных значений рабочих частот, а адресный вход блока исключения РЭС с назначенными частотами соединен с выходом блока выбора номера радиостанций для установки рабочих частот, выход блока записи значений МЧР между рабочими частотами подключен также к входу формирователя сетки частот, выход блока исключения РЭС с назначенными частотами подключен к блоку ранжирования результатов суммирования МЧР, вход блока записи значений МЧР между рабочими частотами является информационным входом устройства, выходы блока распределения рабочих частот между РЭС являются информационными выходами устройства, дополнительно введены блок расчета комбинационных составляющих, включенный между выходом блока записи и хранения выбранных значений рабочих частот и входом блока распределения рабочих частот между РЭС, сканирующий приемник с антенной, управляющий вход которого подключен к первому выходу синтезатора частот, а выход - к информационному входу аналого-цифрового преобразователя, синхровход которого подключен ко второму выходу синтезатора частот, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с информационным входом вычислителя, который двухсторонними связями соединен с блоком хранения планов связи с внешним входом, и, кроме того, вычислитель двухсторонними связями по магистральной шине подключен к входам/выходам блока исключения РЭС с назначенными частотами, блока проверки ЭМС РЭС, блока записи и хранения выбранных значений рабочих частот, формирователя сетки частот, выход вычислителя подключен к управляющему входу синтезатора частот.
На чертеже представлена структурная схема устройства, состоящего из следующих узлов:
1 - блок записи значений МЧР между рабочими частотами;
2 - блок хранения МЧР;
3 - блок суммирования МЧР;
4 - блок ранжирования результатов суммирования МЧР;
5 - блок выбора номера радиостанций для установки рабочих частот;
6 - формирователь сетки частот;
7 - блок проверки ЭМС РЭС;
8 - решающий блок;
9 - блок записи и хранения выбранных значений рабочих частот;
10 - блок распределения рабочих частот между РЭС;
11 - блок исключения РЭС с назначенными частотами;
12 - блок расчета комбинационных составляющих;
13 - сканирующий приемник с антенной;
14 - синтезатор частот;
15 - аналого-цифровой преобразователь;
16 - вычислитель;
17 - блок хранения планов связи с внешним входом 19;
18 - магистральная (межблочная) шина;
20 - информационный вход устройства;
21 - информационные выходы устройства.
Устройство работает следующим образом. На стадии подготовки к работе в нем проводятся операции, как и в прототипе. На информационный вход 20 устройства - вход блока 1 поступают значения минимальных частотных разносов между рабочими частотами радиолиний и записываются. Эти данные сохраняются в блоке 2. Со второго выхода блока 1 последовательность натуральных чисел от 1 до N, где N - число РЭС, поступают на информационный вход блока 11 исключения РЭС с назначенными частотами и на синхровход формирователя 6 сетки частот. Синхровход блока 11 подключен к первому выходу блока 5 выбора номера радиостанций для установки рабочих частот, а выход блока 11 - одновременно к входу блока 3 суммирования МЧР и ко второму входу блока 4 ранжирования результатов суммирования МЧР. Блок 3 вычисляет суммы МЧР радиоэлектронных средств, номера которых поданы на его управляющий вход, и передает их в блок 4 ранжирования результатов суммирования МЧР. В блоке 4 сортируются номера РЭС в порядке убывания сумм МЧР, которые передаются на входы формирователя 6 сетки частот для выбора рабочих частот и блока 5 для установки рабочих частот на соответствующей радиостанции, что приводит блок 5 в состояние, соответствующее выбору первого РЭС, а блок 6 - в состояние, соответствующее выбору очередной частоты. С выхода блока 6 на второй вход блока 7 проверки электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств подается значение выбранной частоты, а с блока 5 на первый вход блока 7 подается номер очередного РЭС из отсортированной последовательности. В блоке 7 осуществляется проверка ЭМС РЭС для допустимости присвоения соответствующему РЭС заданной частоты, которая может быть уже выбранной для другого РЭС. При этом используется МЧР из блока 2 и уже выбранные пары «№РЭС - частота» из блока 9. С выхода блока 7 на вход решающего блока 8 передается очередная пара «№РЭС - частота», а также информация о допустимости такого присвоения. Если присвоение допустимо, то решающий блок 8 со своего информационного выхода передает на вход блока 9 пару «№РЭС - частота», в котором записывается значение частоты для соответствующего РЭС и хранятся значения рабочих частот. С синхронизирующего выхода блока 8 на счетный вход блока 5 передается синхронизирующий сигнал, переводящий блок 5 в состояние выбора следующего РЭС в отсортированной последовательности. В случае, если предыдущее РЭС было последним, блок 5 переводится в состояние выбора первого РЭС, а с его синхронизирующего выхода передается сигнал на синхронизирующий вход блока 11, который, используя информацию из блоков 9 и 1, передает на вход блока 3 новую последовательность номеров РЭС, не содержащую номеров РЭС, рабочие частоты для которых уже выбраны. Процесс повторяется до тех пор, пока для всех РЭС не будут выбраны рабочие частоты.
Выходная шина блока 2 хранения МЧР подключена к соответствующим входам блока 3 и блока 7 проверки электромагнитной совместимости (ЭМС) радиоэлектронных средств. Выход блока 3 подключен к первому входу блока 4 ранжирования результатов суммирования МЧР.
Как только будет определена вторая пара «№РЭС - частота», включается блок 12 расчета комбинационных составляющих.
им
При размещении приемных и передающих антенн на мачте или на одном воздушном судне потенциально возможны интермодуляционные помехи при приеме радиосигналов одними радиостанциями от излучений радиопередатчиков других радиостанций, возникающие при одновременной работе нескольких передатчиков. Частоты помех f рассчитываются следующим образом:
i
i
где f - частота i-го передающего устройства; m=0; ±1; ±2; …; J;
J - максимальное количество одновременно функционирующих передающих устройств.
Если уровень интермодуляционных помех на входе приемника превышает пороговое значение, определяемое допустимым отношением сигнал/помеха для получения требуемой достоверности передачи информации, то такая рабочая частота должна исключаться из списка назначаемых.
В блоке 12 по формуле (1) рассчитываются значения частот комбинационных составляющих, которые могут попасть в полосу пропускания двух приемников (на следующем шаге расчета - трех приемников и так далее). Если значения частот комбинационных составляющих попали в полосу пропускания двух приемников (на следующем шаге расчета - трех приемников и так далее), то с блока 12 по магистральной (межблочной) шине 18 на вход блока 6 передается сообщение для изменения (увеличения) величины рабочей частоты, например, на установленный шаг сетки частот и процедура проверки повторяется. Этим сообщением с помощью блока 11 блокируется назначение рабочей частоты следующему РЭС. После того, как МРЧ расставлены и вычислителем 16 проведена проверка правильности расстановки, с него выдается команда разблокировки блока 11 и процедура назначения рабочей частоты повторяется.
При появлении помех устройство работает по алгоритмам интеллектуальных радиосистем, функционирование которых основано на следующих процедурах [3-5]:
- непрерывное сканирование по частоте в выделенных диапазонах, определение наличия спектров излучаемых радиосигналов и их побочных излучений;
- извлечение по результатам анализа информации в реальном масштабе времени из окружающего радиоэфира, предсказание изменения параметров канала связи с выбранным для связи абонентом и оптимальным образом подстройка своих внутренних параметров состояния, адаптируясь к изменениям радиосреды;
- непрерывный анализ параметров радиоканала, оценка канальной информации, хранение полученных данных, предсказания состояния радиоканала и действий обслуживаемого абонента;
- контроль излучаемой и принимаемой мощности, динамическое управление скоростью передачи данных, формой излучаемого радиосигнала и его спектром.
В математическом смысле суть задачи обеспечения ЭМС и регулирования излучаемой передатчиком мощности в многопользовательской среде заключается в выборе оптимального уровня излучаемой мощности среди n пользователей с целью максимизации постоянно измеряемого отношения сигнал/помеха, не превышая максимально допустимого уровня этого отношения, обеспечивающего заданную надежность связи, и при условии ограниченного числа выделенных частотных каналов, в которых также могут присутствовать помехи. Проблема заключается в том, что при увеличении мощности передаваемого радиосигнала каждого из пользователей может наблюдаться нежелательный эффект увеличения уровня интермодуляционных помех на входе приемников других пользователей и, следовательно, снижение достоверности передачи информации.
Основная задача выполняемых вычислителем 16 процедур - следить за тем, чтобы при заданных чувствительности сканирующего приемника 13 с антенной, допустимом пороге, зависящем от отношения мощностей сигнала и помехи на входе приемника 13, при котором качество приема не ухудшается или ухудшается на допустимую величину, в случае появления помехи в назначенных устройством полосах минимальных частотных разносов радиочастотного спектра выполнялось условие непревышения помехой заданного порога. Эти операции осуществляются с помощью сканирующего приемника 13 с антенной, рабочая частота которого определяется синтезатором 14 частот, управляемым с помощью вычислителя 16. Отношение сигнал/помеха определяется в вычислителе 16 по цифровому сообщению с выхода аналого-цифрового преобразователя 15, обрабатывающего сигнал с выхода приемника 13. Дискретизация во времени в аналого-цифровом преобразователе 15 осуществляется импульсами со второго выхода синтезатора 14 частот.
Хранение величин цифрового порога и шага сетки частот, характеристик приемных и передающих устройств, значений назначенных устройством частот и других параметров осуществляется в блоке 17 хранения планов связи с внешним входом 19, по которому эти данные могут быть изменены, затем введены в вычислитель 16 и после подтверждения соответствующими командами управления на входы/выходы блоков 6, 7, 9, 12 с вычислителя 16 использованы для последующих процедур с информационных выходов 21 блока 10 распределения рабочих частот между РЭС.
Магистральная (межблочная) шина 18 может быть реализована, например, с помощью интерфейса МКИО ГОСТ Р-52070-2003.
После окончания расстановки всех МЧР и исключения влияния на радиолинии помех с вычислителя 16 выдается команда на блок 12 расчета комбинационных составляющих о разрешении прохождения плана связи на обслуживаемые радиоэлектронные средства через блок 10 распределения рабочих частот между РЭС.
Таким образом, включение в устройство новых блоков: вычислителя, блока расчета комбинационных составляющих, сканирующего приемника с антенной, синтезатора частот, аналого-цифрового преобразователя, блока хранения планов связи с внешним входом, магистральной (межблочная) шины с их связями позволяет повысить помехозащищенность обмена данными между станциями связи за счет создания защиты от интермодуляционных помех и обеспечения работы устройства в динамическом режиме независимо от уровня помех.
Вновь введенные узлы заявляемого устройства известны специалистам в области техники связи, о чем свидетельствуют приведенные ссылки. Данное устройство существенно отличается от известных в области техники связи аналогов, явным образом не следует из уровня техники, поэтому соответствует условиям патентоспособности «изобретательский уровень» и «новизна». Заявляемое устройство может быть реализовано аппаратно-программным способом с применением существующих серийных устройств, используемых в технике связи и вычислительной технике, и является промышленно применимым.
Литература
1. Frazler R.A. Compatibility and the Frequency Selection Problem. IEEE Transactions on Electromagnetic Comatibility V. EMC. - 17, №4, November, 1975, p. 248-255.
2. Патент РФ №1783629 (прототип).
3. Joseph Mitola III. Cognitive Radio. An Integrated Agent Architecture for Software Defined Radio // Doctor of Technology Dissertation, Royal Institute of Technology, Sweden, May 2000.
4. Simon Haykin. Cognitive Radio: Brain-Empowered Wireless Communications // IEEE Journal on selected areas and communications, vol. 23, №2, February 2005, p. 213.
5. Д.В. Авдонин, А.Г. Рындык. Интеллектуальные радиосистемы: когнитивное радио // BC/NW 2006, №1.