СПОСОБ ЗАЩИТЫ УЗКОПОЛОСНЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В УСЛОВИЯХ МНОГОЛУЧЕВОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОСИГНАЛОВ И КОМПЛЕКС СРЕДСТВ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF PROTECTION OF NARROW CHANNELS OF DATA TRANSMISSION UNDER CONDITIONS OF MULTIPATH RADIO SIGNAL PROPAGATION AND COMPLEX OF MEANS FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области радиосвязи, а именно к системам защиты узкополосных каналов передачи данных в ДКМВ диапазоне в условиях многолучевого распространения радиосигналов.
Каналы передачи данных с частотами, при которых происходит отражение от ионосферы (3-30 МГц), характеризуются приходом сигналов к приемной стороне путем многократного отражения от ионосферы и поверхности земли, поэтому в точке приема результирующий сигнал представляет собой суперпозицию многих сигналов с различными амплитудами и начальными фазами. Это вызывает интерференцию в пределах передаваемого символа или межсимвольную интерференцию, которая является наиболее опасной [1-5].
Известны методы борьбы с многолучевыми сигналами в каналах передачи данных, среди которых можно отметить скачкообразную перестройку частоты, компенсацию дополнительных лучей, прием на разнесенные в пространстве антенны, использование защитного интервала, метод с кодовым разделением каналов сотовой системы связи третьего поколения и т.п. [1-5].
Недостатками указанных выше методов являются сложность реализации, необходимость иметь широкополосные каналы связи, а также небольшой диапазон задержек радиосигналов второго и других лучей относительно первого луча, при которых обеспечивается достоверная передача информации.
Наиболее близким заявленному способу является метод защитного интервала для узкополосных каналов передачи данных, взятый за прототип. Метод заключается в том, что радиосигналы посылаются с передатчика не непрерывным потоком, а передаются с перерывами для обеспечения перед каждым символом сообщения защитного интервала для устранения межсимвольных искажений [1].
Для реализации метода защитного интервала в передающем устройстве необходим формирователь пакетов сообщений, выход которого подключен к последовательно соединенным формирователю пакетов битов с защитными интервалами перед битами, модулятору, усилителю мощности и передающей антенне, а в приемном устройстве необходимы последовательно соединенные приемная антенна, СВЧ усилитель, демодулятор и одноканальное решающее устройство.
Сущность метода защитного интервала заключается в том, что для обеспечения приема сигналов, как в канале с общими замираниями (отсутствие многолучевых сигналов), необходимо обеспечить большую длительность излучаемых радиосигналов сообщений, по сравнению с длительностью максимального времени задержки между многолучевыми сигналами.
Достоинствами метода защитного интервала являются достаточно простая реализация, возможность работы на одной несущей частоте совместно с другими методами защиты узкополосных каналов передачи данных.
Основным недостатком метода защитного интервала является зависимость его эффективности в части уменьшения влияния многолучевых сигналов от длительности излучаемых радиосигналов, так как при увеличении их длительности значительно снижается скорость передачи информации, ухудшаются энергетические показатели и пропускная способность канала передачи данных [1].
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение арсенала технических средств, предназначенных для защиты узкополосных каналов передачи данных в условиях многолучевого распространения радиосигналов.
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в обеспечении защиты узкополосных каналов при передаче данных в ДКМВ диапазоне от многолучевых сигналов, а также повышении технических характеристик каналов передачи данных в части пропускной способности, помехозащищенности и энергетических показателей за счет алгоритмов, обеспечивающих на передающей стороне канала передачи данных преобразование и формирование расширяющих сигналов в виде ортогональной производной системы сигналов Уолша и Баркера, а на приемной стороне канала обратное преобразование во времени длительностей сигналов и кодового разделения сигналов лучей по форме.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе защиты каналов передачи данных в условиях многолучевого распространения радиосигналов включающем на передающей стороне канала передачи данных операции формирования пакетов сообщений, модуляции пакетов битов, усиления мощности радиосигналов и излучения их передающей антенной, а на приемной стороне канала включающий операции приема, усиления и демодуляции радиосигналов, на передающей стороне канала передачи данных дополнительно введены операции формирования пакетов битов с защитными интервалами перед пакетами, формирования расширяющих сигналов в виде ортогональной производной системы сигналов Уолша и Баркера, расширения спектров битов пакетов методом прямой последовательности, увеличения длительности битов пакетов во времени в пределах пакетов, уплотнения битов пакетов во времени в пределах пакетов, а на приемной стороне канала передачи данных дополнительно введены операции обратного преобразования во времени длительностей сигналов, многоканального кодового разделения сигналов лучей по форме, формирования копий расширяющих сигналов, выделения сигналов сообщений в многоканальном решающем устройстве по критерию отношения правдоподобия, задержки во времени сигналов сообщений в соответствии с исходной последовательностью сообщений в пакетах на передающей стороне.
Указанный технический результат достигается тем, что в комплекс средств защиты узкополосных каналов передачи данных в условиях многолучевого распространения радиосигналов содержащий на передающей стороне канала передачи данных формирователь пакетов сообщений и последовательно соединенные модулятор, усилитель мощности и передающую антенну, а на приемной стороне канала передачи данных последовательно соединенные принимающую антенну, усилитель СВЧ и демодулятор, на передающей стороне канала передачи данных дополнительно введен модуль формирования и преобразования пакетов битов, содержащий формирователь пакетов битов с защитными интервалами перед пакетами, вход которого соединен с формирователем пакетов сообщений, а выход соединен с первым входом кодового модулятора, к второму входу которого подключен формирователь расширяющих сигналов, выход кодового модулятора подключен к входу преобразователя длительности битов, выход которого подключен к входу мультиплексора, выход мультиплексора подключен к входу модулятора, а на приемной стороне канала передачи данных дополнительно введен модуль обратного преобразования и обработки принятых сигналов, содержащий преобразователь длительности сигналов, вход которого подключен к выходу демодулятора, а выход подключен к первому входу многоканального кодового декодера пакетов, второй вход которого подключен к выходу формирователя копий расширяющих сигналов, выход многоканального кодового декодера пакетов подключен к входу многоканального решающего устройства, выход которого подключен к входу преобразователя задержек сигналов, выход которого является выходом модуля обратного преобразования и обработки принятых сигналов.
На фиг. 1 приведена структурная схема передающей стороны канала передачи данных с введенным модулем формирования и преобразования пакетов битов, а на фиг. 2 приведена схема приемной стороны канала передачи данных с введенным модулем обратного преобразования и обработки сигналов, где обозначено:
1 - формирователь пакетов сообщений;
2 - формирователь пакетов битов с защитными интервалами перед пакетами;
3 - кодовый модулятор;
4 - формирователь расширяющих сигналов;
5 - преобразователь длительности битов;
6 - мультиплексер;
7 - модулятор;
8 - усилитель мощности;
9 - передающая антенна;
10 - приемная антенна
11 - СВЧ усилитель;
12 - демодулятор;
13 - преобразователь длительности сигналов;
14 - многоканальный кодовый декодер пакетов;
15 - формирователь копий расширяющих сигналов;
16 - многоканальное решающее устройство;
17 - преобразователь временной задержки сигналов.
Предлагаемый комплекс средств защиты узкополосных каналов передачи данных в условиях многолучевого распространения радиосигналов содержит на передающей стороне канала передачи данных модуль формирования и преобразования пакетов битов, подключенный к входу модулятора 7, соединенного через усилитель мощности 8 с передающей антенной 9, а приемной стороне канала передачи данных содержит модуль обратного преобразования и обработки сигналов, подключенный к выходу демодулятора 12, соединенного через СВЧ усилитель 11 с приемной антенной 10.
Модуль формирования и преобразования пакетов битов содержит формирователь пакетов сообщений 1, выход которого подключен к формирователю пакетов с защитными интервалами перед пакетами 2, выход которого подключен к первому входу кодового модулятора 3, второй вход которого подключен к выходу формирователя расширяющих сигналов 4, выход кодового модулятора 3 подключен к входу преобразователя длительности битов 5, выход которого подключен к входу мультиплексера 6, выход мультиплексера 6 подключен к входу модулятора 7.
Модуль обратного преобразования и обработки сигналов состоит из преобразователя длительности сигналов 13, выход которого подключен к первому входу многоканального кодового декодера пакетов 14, второй вход которого подключен к выходу формирователя копий расширяющих сигналов 15, выход многоканального кодового декодера пакетов 14 подключен к входу многоканального решающего устройства 16, выход многоканального решающего устройства 16 подключен к входу преобразователя задержек сигналов 17, выход которого является выходом модуля обратного преобразования и обработки сигналов.
Важной операцией при реализации изобретения является применение кодового разделения сигналов лучей по форме с помощью корреляционной обработки на приемной стороне канала передачи данных, эффективность которого в значительной степени определяется автокорреляционной функцией выбранных сигналов и уровнем ее боковых лепестков. Это объясняется тем, что за счет задержки многолучевых сигналов относительно первого луча корреляционные фильтры становятся для них несогласованными, что приводит к появлению собственных и взаимных помех, уровень которых определяется взаимной функцией корреляции и уровнем боковых лепестков [4, 6].
Среди псевдослучайных последовательностей расширяющих сигналов с малым уровнем боковых лепестков автокорреляционных функций известны производные (составные) системы сигналов на базе функций Уолша путем перемножения (суммирования по модулю 2) его на код Баркера, который обладает малыми боковыми лепестками автокорреляционной функции [4, 6, 7, 8].
Для предложенного способа синтезированы кодовые последовательности производных сигналов на базе функций Уолша и кода Баркера N=4, 8 и 16 порядков, у которых уровень боковых лепестков автокорреляционных функций значительно меньше уровня боковых лепестков автокорреляционных функций Уолша.
На фиг. 3 и фиг. 4 изображены соответственно автокорреляционные функции последовательностей Уолша wal (3,θ) при объеме системы N=8 и кодовой последовательности производных сигналов, соответствующей коду wal (3,θ) Уолша и коду Баркера. Как следует из приведенных данных боковые лепестки автокорреляционной функции кодовой последовательности производных сигналов значительно меньше, чем у автокорреляционной функции кодов Уолша.
В результате этого обеспечивается уменьшение влияния многолучевых сигналов за счет значительного увеличения длительности задержек между излучаемыми многолучевыми радиосигналами, при которых обеспечивается достоверная передача данных, а также повышение технических характеристик каналов передачи данных в части пропускной способности, помехозащищенности и энергетических показателей.
Комплекс средств защиты работает следующим образом.
и
На передающей стороне канала передачи данных в формирователе пакетов сообщений 1 осуществляется формирование пакетов из N сообщений, а в формирователе пакетов битов с защитными интервалами перед пакетами 2 формируются пакеты последовательностей из N двоичных битов длительностью τ (фиг. 5).
В кодовом модуляторе 3 осуществляется расширение базы битов пакетов методом прямого расширения спектра частот (фиг. 6), где в качестве расширяющего сигнала используется кодовая последовательность производящих сигналов Уолша и Баркера N-го порядка, что приводит к расширению их спектральной плотности в N раз [10]. В формирователе расширяющих сигналов 4 осуществляется формирование производящей кодовой последовательности сигналов Уолша и Баркера N-го порядка с малым уровнем боковых лепестков автокорреляционной функции. Порядок кодовой последовательности производных сигналов Уолша соответствует количеству N битов пакета. В преобразователе длительности (растяжение) битов 4 происходит увеличение длительности битов в пределах пакетов, т.е. длительности битов пакетов увеличиваются в N раз, что соответственно приводит к сужению спектральной плотности в N раз (фиг. 7).
В мультиплексере 6 проводится уплотнение во времени битов пакетов в пределах пакетов, что обеспечивает выполнение условия ортогональности битов пакета при их корреляционной обработке в многоканальном кодовом декодере пакетов 14 приемной части канала передачи данных [9]. При этом суммируются амплитуды битов пакета, вследствие чего формируются пакеты биполярной последовательности битов, амплитуды которых имеют конечное число дискретных значений, не превышающее величину N (фиг. 8).
Сформированные таким образом сигналы, содержащие сообщения, подаются на вход модулятора 6, который преобразует их в радиосигналы. Преобразованные радиосигналы после усиления в усилителе мощности 8 излучаются в пространство с помощью передающей антенны 9.
На приемной стороне канала передачи данных многолучевые радиосигналы, отраженные от ионосферы, через последовательно соединенные приемную антенну 10 и СВЧ усилитель 11 поступают на вход демодулятора 12, в качестве которого, могут быть использованы типовые конструкции [1, 2].
Рассмотрим работу приемной стороны канала передачи данных на примере двухлучевого пространственного канала, так как предложенные алгоритмы защиты узкополосных каналов при передаче данных от многолучевых сигналов являются одинаковыми для всех дополнительных лучей.
Пакеты радиосигналов первого и второго лучей поступают на вход демодулятора 12, где преобразуются в пакеты сигналов первого и второго лучей, после чего поступают в преобразователь длительности сигналов 13, который сжимает их во времени в N раз, что позволяет повысить скорость обработки в многоканальном кодовом декодере пакетов 14.
В многоканальном кодовом декодере пакетов 14 осуществляется корреляционная обработка сигналов первого и второго лучей путем умножения сигналов на копии производных системы сигналов Уолша и Баркера, поступающие с формирователя копий расширяющих сигналов 15.
Проведены эксперименты с различными последовательностями сообщений, в результате которых определены уровни взаимных помех в зависимости от различных величин задержки т сигналов второго и третьего лучей относительно первого.
1
2
3
Например, при условии, что пакет состоит из N=8 сигналов сообщений, а отношение амплитуд сигналов второго и третьего лучей по отношению к амплитуде сигнала первого луча равны соответственно η=0,8 и η=06, задержка третьего луча относительно второго составляет τ=0,25 для последовательности сообщений в виде 1 1 1 1 1 1 0 0, где 0 соответствует отсутствию сообщения. В результате получаем в каждом канале многоканального кодового декодера пакетов 14 уровни взаимных помех, приведенные на фиг. 9 и фиг. 10, а уровни сигналов первого луча на фоне собственных и взаимных помех - на фиг. 11 и фиг. 12.
Кроме того, на фиг. 11 и фиг. 12 приведены уровни порогов многоканального решающего устройства 16, которые определяются максимальным уровнем взаимных помех, приказанных на фиг. 9 и фиг. 10.
Из приведенных на фиг. 11 и фиг. 12 графиков видно, что диапазон задержек многолучевых сигналов τ составляет более пяти длительностей символов исходных сообщений, при которых обеспечивается достоверная передача данных. Это значительно превосходит известные методы, причем при увеличении в пакете количества N сигналов сообщений указанный диапазон задержек увеличивается.
Сигнал с выхода многоканального кодового декодера пакетов 14 поступает на вход многоканального решающего устройства 16, пороговые уровни которого определяются максимальными уровнями взаимных помех в каждом канале. После многоканального решающего устройства 16 преобразователь временной задержки сигналов 17 преобразует последовательности сигналов во времени в соответствии с последовательностями исходных битов пакета сообщений на передающей стороне канала передачи данных.
Следует отметить, что при кодовом разделении сигналов первого и второго лучей в многоканальном кодовом декодере пакетов 14 за счет корреляционной обработки восстанавливаются узкополосные спектры сигналов первого луча, а спектры сигналов второго луча, узкополосных помех и шума расширяются с помощью расширяющей псевдослучайной последовательности в широкой полосе [1, 4, 6]. В результате этого в узкую полосу сигнала попадает лишь часть мощности помех и шума, поэтому они будут ослаблены приблизительно в соответствии с базой сигналов первого луча, определяемой порядком производной системой сигналов Уолша и Баркера N=4, 8 и 16.
В результате этого обеспечивается не только уменьшение влияния многолучевых сигналов за счет увеличения длительности излучаемых радиосигналов, но и повышение технических характеристик каналов передачи данных в части пропускной способности, помехозащищенности и энергетических показателей.
Предложенный комплекс средств защиты может быть реализован на современных аппаратно-программных и вычислительных средствах.
Литература:
1. Л.М. Финк. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов. радио, 1963. 576 с. (прототип).
2. Скляр, Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом "Вильямс", 2003. 1104 с.
3. А.Д. Витерби, Дш. К. Омура. Принципы цифровой связи и кодирования. Пер. с англ. / под ред. К.Ш. Зигангирова. - М.: Радио и связь, 1982. 536 с.
4. М.В. Ратынский. Основы сотовой связи / Под ред. Д.Б. Зимина - М.: Радио и связь, 1998. 248 с.
5. Проксис Джон. Цифровая связь. Пер. с англ. / Под ред. Д.Д. Кловского. - М.: Радио и связь, 2000. 800 с.
6. Х.Ф. Хармут. Передача информации ортогональными функциями. Пер. с англ. Н.Г. Дядюнова и А.И. Сенина, М., «Связь», 1975. 272 с.
7. Ю.Б. Окунев. Цифровая передача информации фазомодулированными сигналами. - М.: Радио и связь. 1991. 296 с.
8. К. Феер. Беспроводная связь. Методы модуляции и расширения спектра. Пер. с англ. / Под. ред. В.И. Дуравлева. - М. Радио и связь, 2000. 519 с.
9. Патент на изобретение РФ №2511219.
10. Патент на изобретение РФ №2168274.
11. Патент на изобретение РФ №2120180.