УСТРОЙСТВО ПОЛНОДУПЛЕКСНОЙ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ

Полезная модель относится к радиосвязи и может быть использована при разработке беспроводных систем связи.
Известно устройство беспроводной связи, приведенное в описании изобретения под названием "Система радиосвязи с ретранслятором" [1]. Устройство содержит последовательно соединенные блок коммутации и сопряжения, модулятор, передатчик, фильтр, имеющий два выхода, первый из которых, соединен с входом приемопередающей антенны, а второй с входом приемника, и два входа, первый из которых соединен с выходом передатчика, а второй с выходом приемо-передающей антенны, демодулятор, вход которого соединен с выходом приемника, а выход с входом блока контроля и сопряжения. Скорость передачи данных зависит от ширины используемой полосы частот и используемого вида модуляции. Недостатком данного устройства является то, что данное устройство работает в дуплексном режиме (временном либо частотном), таким образом, выделенный частотно временной ресурс используется только на 50%, что в свою очередь снижает потенциально возможную скорость передачи информации.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство беспроводной связи, позволяющее вести одновременную передачу и прием информации в одной полосе частот [2]. Передающая часть устройства включает в себя последовательно соединенные блок формирования сигнала, вход которого является информационным входом устройства, цифроаналоговый преобразователь, первый блок преобразования частоты, первый усилитель, первый фильтр и передающую антенну. Приемная часть данного устройства включает блок демодуляции, последовательно соединенные приемную антенну и фильтр, а также второй усилитель, второй блок преобразования частоты, аналого-цифровой преобразователь и блок задержки. Кроме этого в устройстве-прототипе присутствуют системы аналоговой и цифровой компенсации. Система аналоговой компенсации включает в себя последовательно соединенные фазовращатель, блок задержки, блок ослабления, первый сумматор. Система цифровой компенсации включает последовательно соединенные блок оценки канала распространения радиоволн, буферное запоминающее устройство, блок формирования компенсирующего сигнала, второй сумматор. Данное устройство работает в полнодуплексном режиме, передача и прием сигналов производятся одновременно в одной полосе частот. В устройстве-прототипе присутствуют системы аналоговой и цифровой компенсации сигнала собственного передатчика в приемном канале устройства.
Недостатком устройства прототипа является то, что при использовании широкополосного сигнала, при удалении от несущей частоты уровень аналоговой компенсации будет снижаться, поскольку для формирования аналогового компенсирующего сигнала используется фазовращатель. Применение фазовращателя обеспечивает противофазность сигналов на входе первого сумматора на несущей частоте, однако по мере удаления от несущей частоты сдвиг будет отличаться от 180°, и следовательно, уровень компенсации будет снижаться. Исследования зависимости уровня аналоговой компенсации прямого сигнала передатчика в приемном канале при использовании перестраиваемого фазовращателя проводились в работе [3]. Снижение уровня компенсации приводит к возникновению помехи при обработке полезного сигнала от удаленного передатчика и, следовательно, к возникновению ошибок демодуляции.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, - повышение уровня аналоговой компенсации сигнала собственного передатчика в приемном канале, достигаемое за счет того, что вместо перестраиваемого фазовращателя в устройство вводится дополнительный канал формирования аналогового компенсирующего сигнала.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известное устройство, содержащее: блок формирования сигнала, вход которого является информационным входом устройства, первый цифроаналоговый преобразователь, вход которого соединен с первым выходом блока формирования сигналов, первый блок преобразования частоты, вход которого соединен с выходом первого цифроаналогового преобразователя, первый усилитель, вход которого соединен с выходом первого блока преобразования частоты, первый фильтр, вход которого соединен с выходом первого усилителя, передающую антенну, вход которой соединен с выходом первого фильтра, первый блок задержки, блок ослабления, вход которого соединен с выходом блока задержки, приемную антенну, первый сумматор, первый вход которого соединен с выходом блока ослабления, второй фильтр, второй усилитель, второй блок преобразования частоты, вход которого соединен с выходом второго усилителя, аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом второго блока преобразования частоты, второй блок задержки, вход которого соединен с первым выходом аналого-цифрового преобразователя, второй сумматор, первый вход которого соединен с выходом второго блока задержки, блок демодуляции сигнала, вход которого соединен с выходом второго сумматора, а выход является информационным выходом устройства, блок оценки канала распространения радиоволн, первый вход которого соединен с первым выходом блока формирования сигнала, а второй вход с вторым выходом аналого-цифрового преобразователя, буферное запоминающее устройство, вход которого соединен с выходом блока оценки канала распространения радиоволн, блок формирования компенсирующего сигнала, первый вход которого соединен с выходом буферного запоминающего устройства, второй вход которого соединен с вторым выходом блока формирования сигнала, а выход с вторым входом второго сумматора, дополнительно вводится второй цифроаналоговый преобразователь, вход которого соединен с третьим выходом блока формирования сигнала, третий блок преобразования частоты, вход которого соединен с выходом второго цифроаналогового преобразователя, третий усилитель, вход которого соединен с выходом третьего блока преобразования частоты, третий фильтр, вход которого соединен с выходом третьего усилителя, а выход с входом первого блока задержки, причем, второй вход первого сумматора соединен с выходом приемной антенны, а выход с входом второго фильтра, а выход второго фильтра соединен с входом второго усилителя.
Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 1, на которой обозначено: 1 - информационный вход устройства, 2 - блок формирования сигналов, 3, 8 - первый и второй цифроаналоговые преобразователи, 4, 21, 9 - первый, второй и третий блоки преобразования частоты, 5, 20, 10 - первый, второй и третий усилители, 6, 19, 11 - первый, второй и третий фильтры, 7 - передающая антенна, 12, 23 - первый и второй блоки задержки, 13 - блок ослабления, 14 - блок оценки канала распространения радиоволн, 15 - буферное запоминающее устройство, 16 - блок формирования компенсирующего сигнала, 17 - приемная антенна, 18, 24 - первый и второй сумматор, 22 - аналого-цифровой преобразователь, 25 - блок демодуляции сигнала, 26 - информационный выход устройства.
Подробное описание работы устройства.
Традиционно системы связи используют дуплексное разделение передаваемой и принимаемой информации, временное либо частотное. При полном дуплексе передача и прием данных производится одновременно, в одной полосе частот, что позволит удвоить скорость передачи данных, за счет более эффективного использования частотно-временного ресурса. Сложность реализации заключается в том, что мощность сигнала на выходе передающей антенны 7 значительно превышает мощность принимаемого сигнала от удаленного приемо-передающего пункта в приемной антенне 17, таким образом, приемный тракт будет перегружен собственным передаваемым сигналом. Для нормального функционирования полнодуплексной системы связи необходима развязка порядка 100 дБ [3] между передающей 7 и приемной 17 антенной каждого приемо-передающего пункта. Для того чтобы полнодуплексная связь стала реализуемой, необходимо производить компенсацию собственного передаваемого сигнала в приемном тракте. В условиях многолучевого канала распространения радиоволн (РРВ), приемной антенной 17 будут приниматься не только прямой сигнал с выхода антенны 7, но и сигналы, отраженные от различных окружающих объектов. Для компенсации переотраженных сигналов необходимо произвести оценку канала связи между передающей антенной 7 и приемной антенной 17.
Для описания работы устройства введем следующие обозначения:
- "Пилот-сигнал" - заранее известный сигнал, используемый для оценки канала РРВ.
- "Сигнал-помеха" - связной сигнал, предназначенный для удаленного приемного пункта, излученный передающей антенной 7, поступивший также в приемную антенну 17.
- "Полезный сигнал" - связной сигнал от удаленного передающего пункта, принимаемый приемной антенной 17.
Первоначально производится оценка канала РРВ, между передающей 7 и приемной 17 антеннами устройства. Блок формирования сигналов 2 формирует прямой и инверсный "пилот-сигнал". Прямой "пилот-сигнал" с первого выхода блока формирования сигнала 2 поступает на вход первого цифроаналогового преобразователя 3 и на первый вход блока оценки канала распространения радиоволн 14, а со второго выхода поступает на второй вход блока формирования компенсирующего сигнала 16. Инверсный "пилот-сигнал", сформированный в блоке 2, с третьего выхода поступает на вход второго цифроаналогового преобразователя 8. С выхода первого цифроаналогового преобразователя 3 прямой "пилот-сигнал" сигнал последовательно проходит через первый блок преобразования частоты 4, первый усилитель 5, и первый фильтр 6, далее излучается передающей антенной 7, принимается приемной антенной 17 и поступает на второй вход первого сумматора 18. С выхода второго цифроаналогового перобразователя 8 инверсный "пилот-сигнал" последовательно проходит через третий блок преобразования частоты 9, третий усилитель 10, и третий фильтр 11. Далее инверсный "пилот-сигнал" проходит через первый блок задержки 12, блок ослабления 13, и поступает на первый вход первого сумматора 18. Первый блок задержки и ослабления настраиваются (в ручном либо автоматическом режиме), таким образом, чтобы сигнал, прошедший через эти блоки и поступивший на первый вход первого сумматора 18, совпадал по мощности и задержке с сигналом, поступившим на второй вход первого сумматора 18, но при этом был в противофазе, с той целью, чтобы максимально скомпенсировать прямой сигнал, излученный антенной 7 и поступивший в приемную антенну 17.
Излученный передающей антенной 7, "пилот-сигнал", пройдя через многолучевой канал распространения радиоволн, принимается приемной антенной 17, поступает на вход сумматора 18, где производится компенсация прямого луча, далее нескомпенсированный остаток "пилот-сигнала" проходит через второй фильтр 19, второй усилитель 20, второй блок преобразования частоты 21, аналого-цифровой преобразователь 22. С первого выхода блока аналого-цифрового преобразования 22 "пилот-сигнал" поступает на вход второго блока задержки 23, а со второго выхода блока 23 "пилот-сигнал" поступает на второй вход блока оценки канала распространения радиоволн 14. В блоке 14 по исходному "пилот-сигналу" и "пилот-сигналу", прошедшему канал распространения радиоволн, формируется оценка канала распространения радиоволн (оценка передаточной функции и импульсной характеристики), между передающей антенной 7 и приемной антенной 17, с учетом компенсации прямого луча после суммирования в блоке 18. Работа блока 14 (блок оценки канала распространения радиоволн) раскрыта в описании полезной модели №115591 «Устройство для оценки передаточной функции канала распространения радиоволн». В данной полезной модели оценка канала распространения радиоволн производится по "пилот-сигналу", в цифровом виде. Оценка канала РРВ может быть произведена любым известным методом, например [4].
Оценку импульсной характеристики канала РРВ, полученную в блоке 14, обозначим h(m). Полученная в блоке 14 оценка канала РРВ сохраняется в буферном запоминающем устройстве 15, она необходима на последующих этапах, для формирования компенсирующего сигнала в блоке 16, для устранения переотражений "сигнала помехи", вызванного многолучевостью канала РРВ, а также энергии прямого луча, оставшейся после аналоговой компенсации.
После получения оценки канала РРВ, между передающей 7 и приемной 17 антеннами устройства, устанавливается связь с удаленным приемо-передающим пунктом и начинается передача и прием информационных сигналов.
На вход устройства 1 поступает информационная последовательность, в блоке формирования сигналов 2 производится обработка информационного сигнала (помехоустойчивое кодирование, перемежение, модуляция). На первом выходе блока формирования сигналов 2 формируется дискретный сигнал , где m - номер отсчета дискретной последовательности. Сигнал  поступает на вход первого цифроаналогового преобразователя 3, где сигнал преобразуется в аналоговую форму. Далее сигнал  поступает на вход первого блока преобразования частоты 4, здесь производится перенос сигнала на несущую частоту, после чего сигнал в А раз усиливается в первом усилителе 5:
где  - модулированный информационный сигнал,
ƒ - несущая частота сигнала,
ϕ - начальная фаза,
t - время,
n - шум.
усил
пр
пол
пом
С выхода первого усилителя 5 сигнал S(t) проходит через первый фильтр 6 и далее поступает на вход передающей антенны 7, откуда излучается в удаленный приемо-передающий пункт. Однако сигнал из передающей антенны 7, через среду распространения, посредствам электромагнитных волн, поступает также в приемную антенну 17 данного устройства. Поскольку предлагаемое устройство работает в режиме полного дуплекса, т.е. передача сигнала удаленному приемному пункту, а также прием сигналов от удаленного передающего пункта производятся одновременно, в одной полосе частот, то собственный сигнал, поступивший из передающей антенны 7, в приемную антенну 17 предлагаемого устройства, создает значительные помехи приему "полезного сигнала", от удаленного приемо-передающего пункта, поскольку мощность собственного "сигнала помехи" на десятки дБ превосходит мощность полезного информационного сигнала от удаленного передающего пункта. Таким образом, в приемной антенне принимается суммарный сигнала S(t): сумма "полезного сигнала", от удаленного передатчика S(t), и "сигнала помехи" S(t). При наличии многолучевого канала распространения радиоволн, приемной антенной также будут приниматься переотраженные сигналы.
пом
_
пр
S - прямой "сигнал-помеха",
пом
_
отр
S - отражения "сигнала-помехи", вызванные многолучевостью канала РРВ,
пол
_
пр
S - прямой "полезный сигнал",
пол
_
отр
S - отражения "полезного сигнала", вызванные многолучевостью канала РРВ,
0
А1 - амплитуда прямого "сигнала-помехи",
i
A1 - амплитуда i-oro переотраженного "сигнала-помехи",
- количество переотраженных "сигналов-помех",
0
A2 - амплитуда прямого "полезного сигнала",
j
A2 - амплитуда j-ого переотраженного "полезного сигнала",
k - количество переотраженных "полезных сигналов",
- модулированный информационный сигнал на выходе цифроаналогового преобразователя 3 предлагаемого устройства,
- модулированный информационный сигнал удаленного передатчика,
ƒ - несущая частота сигнала,
0
ϕ1 - начальная фаза прямого "сигнала-помехи",
i
ϕ1 - начальная фаза i-oro переотраженного "сигнала-помехи",
0
ϕ2 - начальная фаза прямого "полезного сигнала",
j
ϕ2 - начальная фаза j-ого переотраженного "полезного сигнала",
i
τ1 - задержка i-oгo переотраженного "сигнала-помехи" относительно прямого "сигнала-помехи",
j
τ2 - задержка j-ого переотраженного "полезного сигнала" относительно прямого "сигнала-помехи",
причем А1>>А2. Для демодуляции "полезного сигнала" необходимо устранить влияние "сигнала-помехи".
Для этого одновременно с информационным сигналом с третьего выхода блока формирования сигналов 2 формируется компенсирующий сигнал, совпадающий с информационным сигналом, однако находящийся в противофазе с ним
комп
пр
Далее компенсирующий сигнал поступает на вход блока цифроаналогового преобразователя 8, где сигнал преобразуется в аналоговую форму, и последовательно проходит через блоки 9, 10 и 11, где производится перенос на несущую частоту, усиление и фильтрацию. С выхода третьего фильтра 11 компенсирующий сигнал проходит через блоки задержки и ослабления, параметры которых настраиваются таким образом, чтобы компенсирующий сигнал имел одинаковую задержку и амплитуду с "сигналом-помехой". Настройка элементов компенсирующего тракта может производиться в ручном либо автоматическом режиме. Компенсация "сигнала-помехи" производится в первом сумматоре 18. На первый вход первого сумматора 18 поступает сигнал S(t), на второй вход первого сумматора 18 поступает сигнал S(t), принятый приемной антенной 17.
пом
_
пр
комп
пр1
В случае если , то прямой "сигнал-помеха" S(t), компенсирующий сигнал S(t) практически полностью исключат друг друга, таким образом, на выходе первого сумматора 13 имеем сигнал S(t).
Для максимального устранения принятых отражений «сигнала-помехи», вызванных многолучевостью канала РРВ, проводится дополнительная цифровая обработка.
пр1
пр1
С выхода первого сумматора 18, сигнал S(t), поступает на вход третьего фильтра 19, далее на вход второго усилителя 20, где сигнал усиливается, и далее поступает на вход второго блока преобразования частоты 21, откуда на вход блока аналого-цифрового преобразования 22. Обозначим оцифрованный сигнал как S(m).
пом
_
отр
пом
_
отр
S(m) - сигнал, соответствующий сигналу S(t) после усиления, преобразования частоты и оцифровки,
пол
_
пр
пол
_
пр
S(m) - сигнал, соответствующий сигналу S(t), после усиления, преобразования частоты и оцифровки,
пол
_
отр
пол
_
отр
S(m) - сигнал, соответствующий сигналу S(t), после усиления, преобразования частоты и оцифровки.
Далее производятся дополнительная цифровая компенсация переотражений "сигнала-помехи", вызванных многолучевым характером распространения сигналов между передающей антенной 7 и приемной антенной 17.
пр1
комп
комп
пр1
комп
пом
_
отр
пом
_
отр
пр2
С первого выхода аналого-цифрового преобразователя 22, сигнал S(m) поступает на вход второго блока задержки 23. В блоке 16 производится формирование компенсирующего сигнала, на основании сигнала, сформированного в блоке 2, и оценке канала РРВ, хранящейся в блоке 15. Компенсирующий сигнал S(m) может быть записан следующим образом:где: fft - операция прямого быстрого преобразования Фурье, ifft - операция обратного быстрого преобразования Фурье. Второй блок задержки 23 используется для того, чтобы поступающие на первый и второй входы второго сумматора были синхронизированы. С выхода блока 16, компенсирующий сигнал S(m) поступает на второй вход второго сумматора 24, где складывается с сигналом S(m). Компенсирующий сигнал S(m) с выхода блока 16 практически полностью повторяет сигнал S(m), но находится с ним в противофазе. Таким образом, производится компенсация "сигнала-помехи", S(m), вызванного многолучевостью канала РРВ. Запишем сигнал S(m), на выходе второго сумматора 24:
пр2
С выхода второго сумматора 24 сигнал S(m) поступает на вход блока демодуляции сигнала 25, где производится демодуляция (декодирование, деперемежение), и извлекается информационная последовательность, которая поступает на информационный выход 26 предлагаемого устройства. Оценку канала РРВ между передающей антенной 7 и приемной антенной 17 предлагаемого устройства следует периодически повторять, частота повторения зависит от скорости изменения канала РРВ (время когерентности). Описанные выше операции позволяют получить развязку, между передающим и приемным трактом, порядка 100 дБ, которая будет равномерной для полосы сигнала до 40 МГц, по сравнению со способом-прототипом, в котором заявленный уровень компенсации достигается только на центральной частоте, а по мере удаления от центральной частоты уровень компенсации будет снижаться. Исследования зависимости уровня компенсации (для случая описанного в способе прототипе, с использованием перестраиваемого фазовращателя) проводились в различных работах, к примеру в [3]. В исследованиях подтверждается, что при удалении от несущей частоты, уровень компенсации будет снижаться, и при отстройке в 10 МГц, уровень компенсации может быть снижен на 20 дБ. Предлагаемое устройство не имеет данного недостатка, и по мере удаления от несущей частоты уровень компенсации сохраняется до 40 МГц, это достигается за счет того, что в предлагаемом устройстве сигнал компенсации формируется не за счет инверсии сигнала с использованием перестраиваемого фазовращателя, а за счет использования дополнительного цифроаналогового преобразователя.
Повышение уровня компенсации может достигать 20 дБ, по сравнению с устройством-прототипом.
Источники информации
1. Пат. РФ №2371852, МПК Н04В 7/24. Система радиосвязи с ретранслятором. Опубл. 27.10.2009.
2. Пат. ПМ РФ №154383, МПК Н04В 7/24. Устройство беспроводной связи, позволяющее вести одновременную передачу и прием информации в одной полосе частот. Опубл. 20.08.2015.
3. Jain М. et al. Practical, real-time, full duplex wireless //Proceedings of the 17th annual international conference on Mobile computing and networking. - ACM, 2011. - C. 301-312.