СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ СООБЩЕНИЙ ПО РАДИОЭФИРУ
METHOD OF SENDING MESSAGES BY RADIO BROADCAST

Изобретение относится к способам передачи сообщений по радиоэфиру, в которых для передачи сообщений используется передатчик голосовой связи. Сообщения могут представлять собой команды, предназначенные для управления охраняемыми транспортными средствами (ТС) или другими объектами охраны, а также данные телеметрической информации. Сообщения передаются на специальную базовую станцию или непосредственно на охраняемое ТС.
Такими сообщениями могут быть, например, "Постановка под охрану", "Снятие с охраны", "Разрешение на использование определенному пользователю", "Тревога". Смысл подачи таких сообщений очевиден: даже находясь в отдалении от ТС, владелец ТС может, например, установить запрет на пользование ТС или снять ТС с охраны (для отправки его в пункт сервиса) или указать номер электронного радиобрелока, обладатель которого может пользоваться ТС.
Системы, осуществляющие эту передачу командных сообщений, описаны, например, в патентах RU №2074826 B60R 25/00, RU №2163871 B60R 25/00, G08C 17/02. Однако передача сообщений в известных технических решениях связана с использованием передающих устройств третьих лиц, например пейджинговых компаний. Естественно, такое использование требует дополнительных затрат и, кроме того, вызывает ограничение, связанное с ограниченным покрытием территории пейджинговой компании.
Поэтому желательно отказаться от услуг третьих лиц и непосредственно передавать сообщения получателю, используя стандартную радиоаппаратуру. Такой стандартной, широко распространенной радиоаппаратурой является, безусловно, передатчик голосовой связи. Передача сообщений по радиоэфиру, использующая передатчик голосовой связи, не имеет недостатков и ограничений, связанных с использованием передающих устройств третьих лиц.
Способ такой передачи давно известен и описан во множестве публикаций, например в классической монографии И.С.Гоноровского "Радиотехнические цепи и сигналы", Учебник для вузов, Москва, "Радио и связь", 1986 г., стр.7- 12.
В этом способе на передающей стороне модулируют сигнал несущей частоты передатчика голосовой связи с использованием последовательных сигналов сообщения, усиливают модулированный сигнал и передают в радиоэфир, а на приемной стороне принимают модулированный сигнал и демодулируют его с получением сообщений.
При передаче голосовых сообщений источником последовательных сигналов сообщения, модулирующих сигнал несущей частоты, является микрофон.
При передаче цифровой последовательности с использованием передатчика голосовой связи таким источником последовательных сигналов сообщения, модулирующих сигнал несущей частоты, является модем.
В обоих случаях несущая частота передатчика голосовой связи модулируется сигналами, спектр которых лежит в полосе от 300 до 3000 Гц.
Модуляция несущей частоты осуществляется, как правило, методами частотной (ЧМ) или амплитудной модуляции (AM).
Дальность связи для любого радиоканала определяется, главным образом, мощностью передатчика и чувствительностью приемника. При этом полоса пропускания приемника должна быть не менее ширины спектра сигнала передатчика.
Например, при использовании в передатчике голосовой связи ЧМ необходимо выполнять требования ГОСТ 12252-86, который ограничивает использование полосы частот несущей (от 30 до 470 МГц) и мощности. Так, мощность носимого передатчика голосовой связи не должна превышать 2 Вт, а мощность возимого (автомобильного) передатчика голосовой связи не должна превышать 20 Вт. Такие параметры обеспечивают возможность для радиосвязи на расстоянии не свыше 4 км между носимыми радиостанциями и не свыше 10 км между носимой и возимой радиостанциями.
Такой способ передачи сообщений по радиоэфиру является ближайшим по технической сущности к заявляемому. Однако дальность передачи сообщений часто не удовлетворяет пользователей. Так, при передаче командных сообщений на охраняемое ТС необходим качественный прием на расстоянии до 50 км и более, что обычные радиостанции просто не обеспечивают.
Настоящее изобретение направлено на существенное повышение дальности связи при передаче сообщений.
Предметом изобретения является способ передачи сообщений по радиоэфиру с использованием передатчика голосовой связи, при котором на передающей стороне модулируют сигнал несущей частоты передатчика голосовой связи с использованием последовательных сигналов сообщения, усиливают модулированный сигнал и передают в радиоэфир, а на приемной стороне принимают модулированный сигнал и демодулируют его с получением сообщений, при этом на передающей стороне вырабатывают вспомогательный синусоидальный сигнал с частотой внутри диапазона модулирующих частот, используемого передатчиком голосовой связи, предварительно модулируют указанный вспомогательный синусоидальный сигнал последовательными сигналами сообщения, для формирования которых используют полосу частот, существенно более узкую, чем полоса модулирующих частот передатчика голосовой связи, полученным предварительно промодулированным сигналом модулируют при передаче сигнал несущей частоты передатчика голосовой связи, при этом на приемной стороне прием осуществляют на частоте, связанной линейным преобразованием несущей частоты передатчика голосовой связи и частоты вспомогательного синусоидального сигнала, фильтруют принятый сигнал в полосе частот, определяемой полосой частот вспомогательного синусоидального сигнала с учетом его предварительной модуляции последовательными сигналами сообщения, а упомянутую демодуляцию принятого сигнала выполняют в соответствии с выбранной модуляцией вспомогательного синусоидального сигнала.
Решению поставленной задачи способствуют частные существенные признаки предложенного способа.
В качестве частоты приема используют частоту, равную сумме несущей частоты передатчика голосовой связи и частоты вспомогательного синусоидального сигнала.
В качестве частоты приема используют частоту, равную разности несущей частоты передатчика голосовой связи и частоты вспомогательного синусоидального сигнала.
На приемной стороне прием модулированного сигнала проводят одновременно по двум алгоритмам, в одном из которых в качестве частоты приема используют сумму несущей частоты передатчика голосовой связи и частоты вспомогательного синусоидального сигнала, а в другом - в качестве частоты приема используют разность несущей частоты передатчика голосовой связи и частоты вспомогательного синусоидального сигнала, для каждой методики оценивают качество приема и выбирают методику с лучшим качеством приема.
При использовании в качестве передатчика голосовой связи передатчика с частотной модуляцией индекс модуляции устанавливают в пределах от 1,5 до 2,5.
При использовании в качестве передатчика голосовой связи передатчика с амплитудной модуляцией глубину модуляции устанавливают близкой к 100%.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение передачи сообщений на расстояния, значительно превышающие возможности радиостанций при передаче голосовых сообщений. Для решения указанной задачи выбран метод повышения чувствительности приемника при приеме сообщений.
Чувствительность приемника определяется минимальным уровнем S сигнала, различимого на уровне шумов.
Из радиотехники известно (например, из упомянутой выше монографии И.С.Гоноровского "Радиотехнические цепи и сигналы", Учебник для вузов, Москва, "Радио и связь", 1986 г.), что величину S можно подсчитать по формуле, обобщенный вид которой может быть представлен следующим образом:
0
S=N·(F-1)kT·Δf,
где N - постоянный коэффициент - отношение сигнал/шум на входе приемника, которое необходимо обеспечить при приеме сигнала (для кодового сигнала эта величина должна быть в пределах от 5 до 10 дБ, для голосовой связи эта величина установлена равной 12 дБ);
F - коэффициент шума приемника;
-23
k - постоянная Больцмана - 1,3806504(24)·10Дж/К;
0
Т - температура окружающей среды (в градусах Кельвина);
Δf- полоса пропускания приемника.
В этой формуле все составляющие постоянны, либо (как температура) не зависят от пользователя, кроме полосы пропускания Δf.
Таким образом, реальным путем повышения чувствительности приемника голосовой связи является сокращение полосы пропускания. Это ясно не только из анализа формулы, но и из простых рассуждений. Шум приемника близок к белому шуму. Поэтому интенсивность собственного шума приемника прямо пропорциональна выбранной для приема сообщений полосе частот. И чем уже полоса частот, тем меньше мощность шума в этой полосе частот и тем меньше требуется мощность сигнала, чтобы он был различим на фоне шума приемника.
Следовательно, значительное увеличение дальности приема сообщений может быть достигнуто при существенном сокращении полосы частот приемника.
По сути дела, предлагаемый способ передачи сообщений по радиоэфиру сводится к обеспечению передачи полноценного сообщения при известной и очень узкой установленной полосе частот приемника.
Суть изобретения поясняется на примере реализующей заявляемый способ системы передачи сообщений по радиоэфиру, блок-схема которой приведена на фиг.1 и фиг.2.
На фиг.1 приведена блок-схема аппаратурной реализации передающей части системы.
На фиг.2 приведена блок-схема аппаратурной реализации приемной части системы.
На фиг.1 и фиг.2 использованы следующие обозначения: 1 - формирователь сообщения; 2 - модулятор сообщения; 3 - синусоидальный генератор; 4 - модулятор передатчика; 5 - генератор несущей частоты; 6 - усилитель мощности; 7 - антенна передатчика; 8 - антенна приемника; 9 - усилитель высокой частоты; 10 - смеситель; 11 - гетеродин; 12 - фильтр промежуточной частоты; 13 - демодулятор сообщения; 14 - получатель сообщения.
Передающая часть системы, реализующей заявляемый способ (фиг.1), включает в свой состав формирователь 1 сообщения, подключенный через модулятор 2 сообщения ко входу синусоидального генератора 3. Выходы синусоидального генератора 3 и генератора 5 несущей частоты подключены к соответствующим входам модулятора 4 передатчика. Выход модулятора 4 передатчика через усилитель 6 мощности подключен к антенне 7 передатчика, выполненной с возможностью передачи сигналов на приемную часть системы.
В свою очередь, приемная часть системы, реализующей заявляемый способ (фиг.2), включает в свой состав антенну 8 приемника, выполненную с возможностью приема сигналов, передаваемых по радиоэфиру с передающей части на приемную часть системы. Антенна 8 приемника соединена с усилителем 9 высокой частоты, выход которого подключен к первому входу смесителя 10. Со вторым входом смесителя 10 соединен выход гетеродина 11.
Выход смесителя 10 через фильтр 12 промежуточной частоты соединен с демодулятором 13 сообщения, выполненным с возможностью выделения кода принятого сообщения. Получатель 14 сообщения подключен к выходу демодулятора 13 сообщения и выполнен с возможностью отработки принятого сообщения.
Описанная выше система передачи сообщений по радиоэфиру была реализована заявителями в виде опытного образца. Формирователь 1 сообщения в виде простой клавиатуры с несколькими кнопками и модулятор 2 сообщения, который подключен к формирователю 1 сообщения, являются стандартными частями многих радиобрелоков, используемых в противоугонных системах ТС. К таким системам можно отнести, например, противоугонную систему BLACK BUG SUPER BT-84L, в состав которой входят четырехкнопочные брелоки, содержащие клавиатуру, состоящую из четырех кнопок, и модулятор.
Работа синусоидального генератора 3, частота которого модулируется входными воздействиями, описана в ряде публикаций по радиотехнике, например в упомянутой выше монографии И.С.Гоноровского "Радиотехнические цепи и сигналы", Учебник для вузов, Москва, "Радио и связь", 1986 г.
Такие функциональные элементы, как последовательно включенные генератор 5 несущей частоты, модулятор 4 передатчика и усилитель 6 мощности с антенной 7 передатчика, являются стандартными частями любого передатчика голосовой связи.
Усилитель 9 высокой частоты с антенной 8 приемника, смеситель 10, гетеродин 11 и фильтр 12 промежуточной частоты являются стандартными частями радиоприемника. Демодулятор 13 сообщения и получатель 14 сообщения входят в состав стандартного блока управления противоугонной системы ТС, например упомянутой выше противоугонной системы BLACK BUG SUPER BT-84L.
Таким образом, возможность практической реализации системы, реализующей предлагаемый способ передачи сообщений по радиоэфиру, не вызывает сомнений.
Система, реализующая заявляемый способ передачи сообщений по радиоэфиру, работает следующим образом.
Пользователь системы на передающей стороне (фиг.1) с помощью формирователя 1 сообщения задает код передаваемого сообщения. Формирователь 1 сообщения может быть снабжен клавиатурой для задания кода сообщения. С помощью этой клавиатуры и выбирается передаваемое сообщение. Например, пусть пользователь может передавать шесть различных сообщений, тогда для выбора любого из них достаточно иметь блок с тремя кнопками и нажимать либо одну из них, либо одновременно две кнопки в соответствии со следующей таблицей.
Команда
Кнопка 1
Кнопка 2
Кнопка 3
1 Постановка под охрану
+
2 Снятие с охраны
+
3 Тревога
+
4 Разрешение для радиобрелока 1
+
+
5 Разрешение для радиобрелока 2
+
+
6 Разрешение для радиобрелока 3
+
+
В приведенной таблице знаком + отмечена нажимаемая кнопка.
При нажатии кнопок модулятор 2 сообщения включает синусоидальный генератор 3 и в зависимости от выбранной в формирователе 1 сообщения комбинации нажатых кнопок задает определенную последовательность управляющих воздействий, с помощью которой осуществляется управление работой синусоидального генератора 3. По окончании заданной последовательности управляющих воздействий модулятор 2 сообщения выключает синусоидальный генератор 3.
Включенный синусоидальный генератор 3 формирует синусоидальный сигнал с выбранной заранее частотой Ω. Частота этого сигнала должна лежать внутри диапазона модулирующих частот, используемых передатчиком голосовой связи. Управляющие воздействия модулятора 2 сообщения каким-либо выбранным методом модулируют сигнал синусоидального генератора 3. Таким методом может быть, например, амплитудная, частотная или фазовая модуляция, а также смешанные виды модуляции. Обязательным требованием здесь должно быть условие, чтобы полоса частот ΔF модулированного сигнала синусоидального генератора 3 была бы много меньше собственной частоты Ω сигнала синусоидального генератора 3.
Формирователь 1 сообщения, модулятор 2 сообщения и синусоидальный генератор 3 могут входить в состав некоего дополнительного блока, формирующего сигналы, модулирующие передатчик.
Эти сигналы, модулирующие передатчик, могут быть переданы на модулятор 4 передатчика различными методами. Может быть контактное подключение дополнительного блока к определенному соединителю передатчика, может быть звуковое или световое воздействие на передатчик (то есть бесконтактное воздействие).
В модуляторе 4 передатчика осуществляется модуляция несущей частоты ω передатчика, вырабатываемой генератором 5 несущей частоты. При этом модуляция происходит в зависимости от выходных сигналов синусоидального генератора 3. Вид модуляции, осуществляемой модулятором 4 передатчика, может быть как ЧМ, так и AM.
Сигналы с выхода модулятора 4 передатчика усиливаются в усилителе 6 мощности и через антенну 7 передатчика поступают в радиоэфир.
Этот сигнал принимается на приемной части системы антенной 8 приемника и поступает на усилитель 9 высокой частоты.
Работа приемной части системы (фиг.2) происходит в соответствии с традиционной работой супергетеродинного приемника. То есть с выхода усилителя 9 высокой частоты сигнал поступает на первый вход смесителя 10. На второй вход смесителя 10 поступает сигнал с выхода гетеродина 11, который представляет собой локальный маломощный генератор сигналов высокой частоты. На выходе смесителя 10, в частности, формируется сигнал разностной частоты сигналов усилителя 9 высокой частоты и гетеродина 11. Этот разностный сигнал выделяется фильтром 12 промежуточной частоты с полосой частот фильтрации, соответствующей полосе частот AF модулированного сигнала синусоидального генератора 3 на передающей стороне. Сигнал с выхода фильтра 12 промежуточной частоты поступает на демодулятор 13 сообщения.
Демодулятор 13 сообщения формирует на своем выходе последовательность управляющих воздействий. При правильной работе системы эта последовательность должна соответствовать последовательности, сформированной на передающей стороне на выходе модулятора 2 сообщения. Указанная последовательность подается получателю 14 сообщения, который по ней определяет, какую команду задал потребитель системы с помощью формирователя 1 сообщения. Затем получатель 14 сообщения вырабатывает действия, соответствующие полученной команде. Например, если получателем 14 сообщения является противоугонная система ТС, а полученная команда была командой постановки под охрану, то противоугонная система ТС ставит ТС под охрану, запрещая снятие с охраны для всех владельцев радиобрелоков. То есть для возобновления пользования ТС должна поступить с передающей стороны одна из команд, разрешающих такое пользование.
Остается только определить, на какую именно несущую частоту должна быть настроена приемная сторона системы.
В соответствии с заявляемым способом эта несущая частота должна быть связана линейным преобразованием несущей частоты ω передатчика, вырабатываемой генератором 5 несущей частоты, и собственной (то есть не учитывающей воздействие модулятора 2 сообщения) частоты Ω сигнала синусоидального генератора 3.
AM
Модулятор 4 передатчика может осуществлять AM. В этом случае выходной сигнал передатчика U(t) описывается выражением (И.С.Гоноровский. "Радиотехнические цепи и сигналы", Учебник для вузов, Москва, "Радио и связь", 1986 г., стр.76-81):
AM
M
2
M
2
M
1
1
U(t)=Ucost+/UMcos(ω+Ω)t+/UMcos(ω-Ω)t,
где ω - частота несущей передатчика;
Ω - частота модулирующего сигнала;
M
U - амплитуда сигнала;
М - коэффициент модуляции (М≤1).
Спектр этого сигнала состоит из трех составляющих:
M
- на несущей частоте ω амплитудой U;
1
1
2
M
2
М
- на двух боковых частотах (ω+Ω) и (ω-Ω) амплитудой / U М, которая достигает своего максимума (/ U) при М=1.
Коэффициент модуляции М, выраженный в процентах, называют глубиной модуляции.
В каждой боковой составляющей спектра при М=1 (то есть при глубине модуляции, равной 100%) будет сосредоточено 25% мощности передатчика. При уменьшении коэффициента модуляции мощность, сосредоточенная в боковых составляющих спектра, падает. Поэтому в рассматриваемом способе, если модулятор 4 передатчика осуществляет AM, то глубину модуляции устанавливают близкой к 100%.
Каждая боковая составляющая спектра соответствует частоте, связанной линейным преобразованием несущей частоты ω передатчика, вырабатываемой генератором 5 несущей частоты, и частоты Ω сигнала синусоидального генератора 3, сигнал которого модулируется модулятором 2 сообщения. Для одной из боковых частот это линейное преобразование соответствует разности частот, а для другой боковой частоты - сумме частот.
Поэтому если в системе, соответствующей заявляемому способу, использовать ΔM, то приемник должен быть настроен на любую из боковых частот (ω+Ω) или (ω-Ω). В этом случае полоса частот приемника должна соответствовать полосе ΔF модуляции частоты Ω сигнала синусоидального генератора 3.
2
4
Отношение полосы пропускания приемника, предназначенного для приема голосовой информации, к полосе модуляции ΔF определяет выигрыш в чувствительности приемника. Правда, кроме уменьшения частоты существует и уменьшение полной мощности сигнала в М / раза, так что на этот коэффициент необходимо уменьшить обеспечиваемое в заявляемом способе повышение чувствительности приемника.
Например, при формировании сообщения со скоростью 25 бит/с и использовании AM вспомогательного синусоидального генератора 3, ширина спектра промодулированной боковой полосы частот составляет около 50 Гц. Такой сигнал можно принять и демодулировать с помощью обычного AM приемника для голосовой радиосвязи с полосой пропускания 6000 Гц (при этом потребуется дополнительный детектор), настроенного на частоту ω. Если же использовать методику заявляемого способа, то полосу пропускания можно будет сократить до 50 Гц. При этом приемник должен быть настроен на частоту (ω-Ω) или на частоту (ω+Ω). Полученный при этом выигрыш по чувствительности (четвертая часть отношения полос пропускания) составляет 0,25 6000/50=30.
Известно, что дальность радиосвязи (в свободном пространстве) прямо пропорциональна квадратному корню из мощности передатчика и обратно пропорциональна квадратному корню из чувствительности приемника. Поскольку квадратный корень из 30 примерно равен 5,5, то использование заявляемого способа при AM позволяет более чем пятикратно увеличить дальность радиосвязи.
Аналогично можно показать, что при использовании ЧМ радиостанций для голосовой радиосвязи и модуляции их синусоидальным вспомогательным сигналом (вырабатываемым синусоидальным генератором 2) так же образуются боковые полосы частот, аналогичные AM.
Как известно, спектр ЧМ колебания описывается формулой:
ЧМ
m
0
0
1
0
1
0
U(t)=U[J(m)cos(ωt)+J(m)cos(ω+Ω)t-J(m)cos(ω-Ω)+
2
0
2
0
+J(m)cos(ω+2Ω)t-J(m)cos(ω-2Ω)t+
3
0
3
0
+J(m)cos(ω+3Ω)t-J(m)cos(ω-3Ω)t+
4
0
4
0
+J(m)cos(ω+4Ω)t-J(m)cos(ω-4Ω)t+…]
0
n
где J(m)…J(m) - коэффициенты функции Бесселя;
m - индекс частотной модуляции.
0
1
Спектр ЧМ сигнала зависит от индекса m частотной модуляции (поскольку от этой величины зависят функции Бесселя). В частности, при m=2 функция Бесселя J(m) близка к нулю, a J(m) достигает максимума. Поэтому с точки зрения эффекта, обеспечиваемого заявляемым способом, оптимальным является индекс частотной модуляции около 2 (реально от 1,5 до 2,5) - в этом случае несущая существенно подавлена и около 50% всей мощности сосредоточено в двух боковых на частотах (ω-Ω) и (ω+Ω).
Если отбросить из рассмотрения боковые составляющие более высоких порядков на гармониках частоты Ω, то спектр ЧМ сигнала становится очень похож на спектр AM сигнала, и, значит, все вышеизложенное для AM сигналов справедливо и для ЧМ сигналов.
Из рассмотренных выше спектров AM и ЧМ сигналов видно, что они содержат по две одинаково промодулированных боковых полосы, которые могут быть приняты двумя одинаковыми и независимыми приемниками (при ЧМ модуляции спектр одной боковой будет инверсным по отношению к спектру другой боковой). Прием двумя независимыми приемниками повышает вероятность правильного приема, так как одна из боковых полос может быть поражена помехой.
Эффективность предлагаемого способа подтвердили испытания образцов систем передачи сигналов.
Необходимо отметить, что рассмотренные в примере конкретного исполнения системы охраны ТС не являются единственно возможными. Предлагаемый способ может быть использован для широкого класса систем передачи данных. В перспективе предлагается использовать предлагаемый способ, например, для дистанционной передачи GPS-координат движущихся объектов (например - ТС), а также в ряде телеметрических систем.