Устройство радиосвязи
RADIO COMMUNICATION DEVICE

Изобретение относится к технике радиосвязи и может найти применение в многоканальных устройствах передачи и приема радиосигналов, например, в мобильных, радиорелейных, космических системах связи.
Известно устройство радиосвязи, содержащее на передающей стороне источники информации, канальные модуляторы, сумматор, передатчик, синхроблок, генератор последовательностей, коммутаторы, а на приемной стороне - приемник, блоки оптимальной обработки, формирователи символов, блоки регистраторов, коммутатор, сумматоры, накопители, блок вычитания, синхроблок, формирователь синхроимпульсов (а.с. SU 1622949, опубл. 1991.01.23). В известном устройстве используются ортогональные сигналы без учета свойств их автокорреляционных функций, что приводит к низкой помехоустойчивости всей системы радиосвязи.
В работе Ароне М.Н. и др. (Передача цифровой информации. - М.: ИИЛ, 1963, с. 189) представлено устройство радиосвязи, содержащее на передающей стороне коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, генератор модифицированного кода Рида-Мюллера, модулятор-передатчик, передающую антенну, а на приемной стороне - приемную антенну, приемник, линию задержки, декодирующую матрицу, синхронный генератор, детектор максимального сигнала, матрицу цифрового преобразования, аппаратуру индикации и регистрации. В этом устройстве радиосвязи также используются ортогональные сигналы, описываемые последовательностями модифицированного кода Рида-Мюллера, которые обладают слабой помехоустойчивостью, поскольку имеют недостаточно высокие корреляционные свойства, что четко показывают амплитуды боковых пиков автокорреляционных функций этих сигналов, которые лишь незначительно меньше амплитуды центрального пика.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения по технической сущности является устройство радиосвязи (RU 2168864, опубл. 2001.06.10), содержащее на передающей стороне коммутатор, осуществляющий подключение соответствующего входа к своему выходу, аналого-цифровой преобразователь, генератор модифицированного кода Рида-Мюллера, четырехразрядный счетчик, два двухвходовых элемента «И», сумматор, сумматор по модулю два, трехвходовый элемент «И», управляемый инвертор, модулятор-передатчик, передающую антенну. Входы коммутатора являются информационными входами устройства радиосвязи, выход коммутатора подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены с входами генератора модифицированного кода Рида-Мюллера. Тактовый выход упомянутого генератора подключен к счетному входу счетчика, прямой выход первого разряда счетчика подключен к первому входу первого двухвходового элемента «И» и к первому входу трехвходового элемента «И», прямой выход второго разряда счетчика подключен к второму входу трехвходового элемента «И», прямой выход третьего разряда счетчика подключен к первому входу второго двухвходового элемента «И» и к третьему входу трехвходового элемента «И», прямой выход четвертого разряда счетчика подключен к второму входу первого двухвходового элемента «И», инверсный выход четвертого разряда счетчика подключен к второму входу второго двухвходового элемента «И», выходы двухвходовых элементов «И» соединены с входами сумматора, выход которого подключен к первому входу сумматора по модулю два, второй вход которого соединен с выходом трехвходового элемента «И», выход сумматора по модулю два подключен к управляющему входу управляемого инвертора, информационный вход которого соединен с информационным выходом генератора модифицированного кода Рида-Мюллера, выход управляемого инвертора подключен к входу модулятора-передатчика, выход модулятора-передатчика соединен с входом передающей антенны, а на приемной стороне - приемную антенну, приемник, линию задержки, декодирующую матрицу, синхронный генератор, детектор максимального сигнала, матрицу цифрового преобразования, аппаратуру индикации и регистрации, причем выход приемной антенны подключен к входу приемника, выход которого соединен с входом линии задержки, информационные выходы линии задержки соединены с входами декодирующей матрицы, выходы которой подключены к информационным входам детектора максимального сигнала, синхронный вход которого соединен с выходом синхронного генератора, вход которого соединен с тактовым выходом линии задержки, выходы детектора максимального сигнала подключены к входам матрицы цифрового преобразования, выходы которой соединены с входами аппаратуры информации и регистрации.
Известное устройство обнаруживает достаточно высокую помехоустойчивость лишь при условии, что дисперсионное произведение (абсолютная величина произведения ширины спектра сигнала на его длительность и скорость изменения задержки) меньше единицы, а при работе с широкополосными сигналами наличие радиальной скорости перемещения абонентов друг относительно друга приводит к декорреляции сигнала и существенно сказывается на характеристиках устройства. Это обусловлено, главным образом, изменением амплитуды сигнала и его растяжением во времени.
Задачей изобретения является создание помехоустойчивого в работе с широкополосными сигналами устройства радиосвязи.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в повышении помехоустойчивости обеспечиваемой радиосвязи при работе с широкополосными сигналами за счет:
- улучшения формы автокорреляционной функции сигналов-переносчиков,
- предотвращения ухудшений отношения сигнал/помеха, связанных с доплеровской дисперсией, обусловленной изменением доплеровского параметра в пределах длительности сигнала.
Указанный технический результат достигают устройством радиосвязи, содержащим на передающей стороне коммутатор, преобразователь «аналог-цифра» и передающую антенну, причем входы коммутатора являются информационными входами устройства радиосвязи, выход коммутатора подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, а на приемной стороне включающим приемную антенну, приемник, матрицу цифрового преобразования, аппаратуру индикации и регистрации, причем данная аппаратура является выходом устройства радиосвязи, кроме того передающая и приемная стороны содержат блоки электропитания, в котором, в отличие от известного, выходная шина аналого-цифрового преобразователя подключена к формирователю сдвига мультипликативного сигнала относительно начала его отсчета, при этом выход упомянутого формирователя соединен через последовательно включенные блок памяти с алфавитом сигналов и управляемый генератор-передатчик с передающей антенной, которая посредством радиоканала связана с приемной антенной приемной стороны, подключенной через приемник к многоканальному коррелятору, на второй вход которого подключена первая информационная шина, соединенная с блоком памяти с алфавитом сигналов, при этом вторая информационная шина многоканального коррелятора соединена с матрицей цифрового преобразования.
Схема устройства и принцип его работы поясняются чертежами.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства радиосвязи.
На фиг. 2 - взаимодействие передающего и принимающего устройств радиосвязи.
На фиг. 3 приведены автокорреляционные функции сигналов используемых в прототипе.
На фиг. 4 - приведены временные диаграммы мультипликативного сигнала S(t) предлагаемого устройства радиосвязи, его спектральная и корреляционная функции при воздействии на зондирующий сигнал мультипликативных и аддитивных помех.
Как показано на фиг. 1, устройство содержит на передающей стороне 1 коммутатор 2, преобразователь 3 и передающую антенну 4, причем входы коммутатора 2 являются информационными входами устройства радиосвязи, выход коммутатора подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 3. На приемной стороне 5 устройство включает приемную антенну 6, приемник 7, матрицу 8 цифрового преобразования, при этом передающая 1 и приемная 5 стороны снабжены соответствующими блоками электропитания 9 и 10. Выход аналого-цифрового преобразователя 3 подключен к формирователю 11 сдвига мультипликативного сигнала относительно начала его отсчета. Выход формирователя 11 соединен через последовательно включенные блок 12 памяти алфавитов сигналов и управляемый генератор-передатчик 13 с передающей 4 антенной, которая через радиоканал 14 связана с приемной антенной 6 приемной стороны 5, подключенной через приемник 7 к многоканальному коррелятору 15, второй вход которого соединен с блоком 12 памяти алфавитов сигналов, при этом выход многоканального коррелятора 15 соединен через матрицу 8 цифрового преобразования со вторым коммутатором 16, многоканальный выход которого является выходом устройства. Второй вход второго коммутатора 16 подключен к первому выходу блока управления 17, второй выход которого соединен с блоком 12 памяти алфавитов сигналов, при этом третий выход блока управления 17 соединен с управляемым генератором-передатчиком 13, а четвертый выход - с коммутатором 2. Устройства радиосвязи всех абонентов идентичны и в обязательном порядке содержат передающую 1 и приемную 5 стороны, а также блок 12 памяти алфавитов сигналов и блок управления 17.
Сущность работы предлагаемого технического решения заключается в следующем.
1
n
Информация в аналоговом виде от источников информации подается на один из входов коммутатора 2, являющегося первым входом устройства. Коммутатор 2 осуществляет подключение соответствующего входа к своему выходу, посредством чего выходное напряжение коммутатора 2 подводится к аналого-цифровому преобразователю 3. Информация с выходов аналого-цифрового преобразователя 3, определяемая пятью двоичными символами, которые появляются параллельно в виде сигналов "0" и "1", подается на входы формирователя 11 сдвигов начала мультипликативного сигнала относительно начала его отсчета. В соответствии со значением двоичных символов пятиразрядной группы, поступающей на входы формирователя 11, на выход выдается одно из значений сдвига начала мультипликативного сигнала относительно начала его отсчета (τ÷τ), поступающее на вход блока 12 памяти с алфавитом сигналов и далее через управляемый генератор-передатчик 13 мультипликативный сигнал, описываемый выражением:
излучается передающей антенной 4 в радиоканал 14.
Сигнал, принятый с радиоканала 14 приемной 6 антенной второго устройства радиосвязи (фиг. 2) на стороне получающего информацию абонента (приемного адресата приемной стороны 5), поступает на вход приемника 7, осуществляющего полосовую фильтрацию несущей частоты приходящего сигнала. Сигнал с выхода приемника 7 поступает на вход многоканального коррелятора 15, на второй вход которого с блока памяти 12 с алфавитом сигналов поступает набор эталонных сигналов для взаимнокорреляционной обработки с входным сигналом.
1
n
Выход многоканального коррелятора 15 подключен к входу матрицы 8 цифрового преобразования, осуществляющей преобразование номера выхода многоканального коррелятора 15, соответствующего сдвигу начала мультипликативного сигнала относительно начала его отсчета (τ÷τ), в пять двоичных символов, которые появляются параллельно в виде сигналов "0" и "1" на выходах матрицы 8. Эта пятиразрядная комбинация совпадает с комбинацией, поданной на информационные входы формирователя 3 сдвигов начала мультипликативного сигнала относительно начала его отсчета на передающей стороне 1. Далее сигналы с выходов матрицы цифрового преобразования 8 подаются на вход второго коммутатора 6, выходы которого являются информационными выходами устройства к потребителям информации.
В преимущественном варианте осуществления предлагаемого устройства радиосвязи его передающая и приемная стороны являются многоканальными и выполнены с возможностью одновременного и независимого информационного обмена нескольких источников и нескольких потребителей информации
j
k
8
Многоканальность устройства обеспечивает одновременную работу от 1 до N каналов передающих и от 1 до М приемных сторон абонентов (фиг. 2), которые не мешают друг другу за счет высокой помехозащищенности сигналов S(t) (1) и соответствующих, согласованных с ними, методов обработки. Такая возможность обеспечивается за счет контрастного вида взаимнокорреляционных функций сигналов S(t) (1) в условиях пассивных помех, а также при наличии сигналов других каналов, использующих сигналы класса (1), но с другим набором параметров: τ, Ω и их сочетаний j=(1-n), k=(1-р). На фиг. 4 приведены временные диаграммы мультипликативного сигнала S(t) предлагаемого устройства радиосвязи, его спектральная и корреляционная функции при воздействии на зондирующий сигнал мультипликативных и аддитивных помех. При аддитивной помехе отношение уровня максимума сигнала к уровню помехи равно 0,6; мультипликативная помеха соответствует доплеровской дисперсии при относительной радиальной скорости между передатчиком и приемником равной 10 м/с.
Многоканальный коррелятор 15 может быть выполнен по известной стандартной схеме.
Оценка эффективности использования конкретного множества сигналов в системах с разделением каналов по форме базируется на анализе их авто- и взаимокорреляционных характеристик. Выигрыш в качестве связи зависит как от числа символов (длины) последовательности, так и от характеристик совокупности сигналов, в первую очередь - их взаимокорреляционных свойств.
В результате применения сигнала S(t) (1) получают корреляционный отклик R системы обработки, устойчивый к доплеровской дисперсии [Павликов С.Н., Убанкин Е.И. Перспективные методы обработки сигналов в телекоммуникационных системах - Владивосток: МГУ, 2014. - с. 91-94.], который обнаруживает заметный максимум (фиг. 4), значительно превышающий таковой у прототипа (фиг. 3).
Оптимальной формой автокорреляционной функции сигнала для достижения наилучших характеристик телекоммуникационных систем с разделением каналов по форме сигнала является δ-импульс. Таким образом, авто-взаимокорреляционная функция сигнала должна иметь, по возможности, узкий центральный пик и малые боковые лепестки, распределенные по шкале времени более или менее равномерно.
Как было показано, разрешающая способность мультипликативного согласованного фильтра по времени и частоте характеризуется областью высокой корреляции сигнала по этим параметрам. Сигнал расширяет пространство ортогональных сигналов за счет возможности выбора параметров.
8
Действие предложенного устройства проверено путем компьютерного моделирования в среде MathCad. Результаты моделирования приведены на фиг. 4 в виде временных диаграмм мультипликативного сигнала S(t) предлагаемой системы радиосвязи, его спектральной и корреляционной функций при воздействии на зондирующий сигнал мультипликативных и аддитивных помех. Аддитивная помеха соответствует отношению уровня максимума сигнала к уровню помехи 0,6, мультипликативная помеха соответствует доплеровской дисперсии при относительной радиальной скорости между передатчиком и приемником равной 10 м/с.
Таким образом, предлагаемое устройство радиосвязи обнаруживает следующие преимущества:
- свойства взаимокорреляционной функции излучаемого S(t) (1) и принятого сигналов не изменяются при увеличении скоростей относительного перемещения абонентов за счет, того, что указанные сигналы инвариантны (устойчивы) к доплеровской деформации;
j
- в сигналах S(t) (1) заложена возможность расширения алфавита взаимно ортогональных, т.е. не коррелируемых, процессов (сигналов), взаимнокорреляционные функции которых не имеют выраженных пиков, при этом каждый сигнал может быть буквой алфавита. Автокорреляционная функция имеет ярко выраженный максимум, взаимнокорреляционная функция принятого сигнала и сигнала, прошедшего канал от передатчика к приемнику, с учетом ослабления, также будет иметь контрастный максимум, соответствующий параметру τ, использованному на передающей стороне для заданной для передачи буквы алфавита;
- действие устройства, основанное на использовании таких сигналов, соответствует асинхронному методу, когда не требуется привязка ко времени, каждый сигнал представляет собой букву (имеет смысловое выражение) передаваемого текста информации;
- разделение сигналов по форме не препятствует дополнительному применению методов разделения каналов во времени, в пространстве, по частоте и др. Это позволяет расширить размеры сигнального и связного ресурса и параллельно, по используемым признакам разделения, увеличить пропускную способность систем связи;
- на всех объектах используется одинаковая аппаратура, а выбранные и оговоренные заранее абонентами параметры позволяют вести свободный информационный обмен, как в пустом радиоэфире;
- независимость устойчивости работы предлагаемого устройства от взаимного перемещения абонентов на всех доступных скоростях позволяет не ограничивать области использования устройств такого типа.
Предлагаемое устройство может быть эффективно использовано во всех радиотехнических и гидроакустических приложениях для их развития и совершенствования.