СИСТЕМА НА КРИСТАЛЛЕ ПРИЕМА СООБЩЕНИЙ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ПО РАДИОЧАСТОТНОМУ КАНАЛУ
SYSTEM ON CHIP FOR RECEIVING MESSAGES OF TELEMETRIC INFORMATION OVER RADIO FREQUENCY CHANNEL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[001] Данная технология, в общем, относится к области вычислительной техники, а, в частности, к выполненным в виде систем на кристалле приемникам для беспроводной передачи данных в энергоэффективных сетях дальнего радиуса действия (low-power wide-area network - LPWAN).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[002] В настоящее время при использовании узкополосных радиосигналов в энергоэффективных сетях дальнего радиуса действия (low-power wide-area network - LPWAN), с шириной полосы сигнала 500 Гц и менее, неточность формирования частоты несущей синтезаторами частоты может приводить к возникновению проблем, связанных с несовпадением частот передатчика и приемника. Для узкополосных радиосигналов, передаваемых в направлении от абонентского устройства к концентратору, данная проблема может быть решена путем обработки концентратором широкой полосы частот, заведомо большей, чем любое несовпадение частот передатчика абонентского устройства и принимающей части концентратора. В обратном направлении от концентратора к абонентскому устройству прием радиосигналов, в качестве общего правила, осуществляется при помощи серийных приемопередатчиков, обрабатывающих узкую полосу сигналов, соответствующую полосе ожидаемого сигнала без учета возможного расхождения частот приемника и передатчика. В этом случае, для успешного приема радиосигнала необходимо точное совпадение несущей частоты сигнала в радиоэфире и полосы пропускания входных приемных фильтров абонентского устройства. К примеру, для сигналов с полосой 200 Гц точность совпадения частот должна быть порядка нескольких десятков герц.
[003] Известны такие стандарты LPWAN, как LoRa™ и SigFox™. Устройства, работающие по стандарту LoRa™, используют сигналы с расширением спектра. Недостатком данного решения является уменьшение спектральной эффективности сети передачи данных. SigFox™ использует для передачи сообщений от концентраторов на абонентские устройства сигналы с достаточной шириной полосы. Недостатком данного решения является сравнительное уменьшение дальности связи при передаче от концентратора абонентским устройствам. Таким образом, существующие системы не используют узкополосную модуляцию для передачи данных в нисходящем канале.
СУЩНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ
[004] Системы и способы, описанные в настоящем документе, направлены на устранение недостатков, свойственных решениям, известным из уровня техники.
[005] Одной из технических проблем, решаемых не имеющими ограничительного характера вариантами реализации изобретения по данной технологии, является прием сообщений, по меньшей мере, от одного передатчика на приемнике при передаче сообщений, по меньшей мере, на одной скорости. Прием сообщений осуществляется на системе на кристалле (СнК), которая принимает сигнал из радиоканала. В некоторых вариантах реализации сообщения передаются с модуляцией двоичной фазовой манипуляции (ФМн-2) или дифференциальной (относительной) двоичной фазовой манипуляции (ОФМн-2), при этом расширение спектра не применяется.
[006] По меньшей мере, в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах реализации изобретения по данной технологии СнК выполнена для приема сообщений из радиоэфира и далее выполнена для выбора частоты приема сообщений цифровым способом из набора заранее известных частот.
[007] По меньшей мере, в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах реализации изобретения по данной технологии для повышения качества приема сообщений на приемнике используется помехоустойчивое кодирование.
[008] По меньшей мере, в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах реализации изобретения по данной технологии описанная в настоящем документе технология позволяет принимать сообщения, несущая частота которых смещена по сравнению с частотой, ожидаемой приемником.
[009] По меньшей мере, в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах реализации изобретения приемник в виде, описанном в настоящем документе, может принимать сообщения, при передаче которых с передатчика происходит изменение несущей частоты. По меньшей мере, в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах реализации изобретения прием таких сообщений может осуществляться при условии, что приемнику известен набор заранее определенных несущих частот, используемых на передатчике для передачи сообщений.
[0010] В соответствии с одним аспектом данного раскрытия сущности изобретения предусматривается система на кристалле (СнК) для приема сообщений телеметрической информации по радиочастотному (РЧ) каналу. В состав СнК входит: по меньшей мере, один РЧ-модуль, выполненный для приема сигнала с антенны передающего устройства; по меньшей мере, один РЧ-модуль, в состав которого входит: по меньшей мере, один синтезатор частот, по меньшей мере, один смеситель частот, по меньшей мере, один малошумящий усилитель и, по меньшей мере, один РЧ-фильтр.
[0011] В состав СнК далее входит, по меньшей мере, один модуль для преобразования сигнала из аналоговой в цифровую форму, по меньшей мере, один блок цифровой обработки входного сигнала для фильтрации сигнала от РЧ-модуля. По меньшей мере, один блок цифровой обработки входного сигнала выполнен для: выделения в составе сигнала, по меньшей мере, двух участков спектра и получения в каждом, по меньшей мере, из двух участков спектра низкочастотного сигнала путем выбора позиции центральной частоты каждого, по меньшей мере, из двух участков спектра из заранее определенного списка значений.
[0012] В состав СнК далее входит, по меньшей мере, один блок памяти, выполненный для хранения сигнала и списков позиций центральных частот обрабатываемых участков спектра и указания на порядок использования позиций центральных частот; по меньшей мере, один вычислитель для осуществления сдвигов сигнала во времени и в частоте; и, по меньшей мере, один интерфейс связи с управляющим устройством.
[0013] По меньшей мере, один вычислитель выполнен для: сдвига сигнала во времени таким образом, чтобы значения сдвигов во времени заполняли длительность одного бита данных; после сдвига сигнала во времени - для сдвига сигнала в частоте, при этом сдвиги по частоте независимы от сдвигов во времени таким образом, чтобы значения сдвигов в частоте заполняли расстояние между поднесущими преобразования Фурье; выполнения обработки каждого полученного со сдвигом во времени и в частоте сигнала посредством последовательных преобразований Фурье, причем первый временной элемент каждого следующего преобразования располагается сразу после последнего элемента предыдущего преобразования; получения сигнала, при передаче которого происходит смена несущей частоты, причем сигнал имеет частоты передачи, находящиеся в пределах, по меньшей мере, двух обрабатываемых участков спектра, а, по меньшей мере, один РЧ-модуль сохранил указание на частоты передачи и порядок их использования.
[0014] По меньшей мере, в одном варианте реализации изобретения в состав СнК далее входит, по меньшей мере, один демодулятор, выполненный для демодуляции всех принятых каналов в частотной области независимо друг от друга. По меньшей мере, в одном варианте реализации изобретения в состав СнК далее входит, по меньшей мере, одно дополнительное запоминающее устройство, выполненное для хранения результатов преобразований Фурье, и интерфейс, выполненный для считывания этих результатов из-за пределов СнК.
[0015] По меньшей мере, в одном варианте реализации изобретения в состав СнК далее входит модуль, выполненный для оценки мощности входного сигнала. По меньшей мере, в одном варианте реализации изобретения в состав СнК далее входит усилитель с переменным усилением. По меньшей мере, в одном варианте реализации изобретения в состав СнК далее входит квадратурный демодулятор. По меньшей мере, в одном варианте реализации изобретения в состав СнК далее входит блок памяти с возможностью однократного программирования. По меньшей мере, в одном варианте реализации изобретения в состав СнК далее входят блоки обработки цифрового сигнала, выполненные для обработки данных. По меньшей мере, в одном варианте реализации изобретения в состав СнК далее входит дополнительный РЧ-модуль, выполненный для передачи сигнала.
[0016] В соответствии с одним аспектом данного раскрытия сущности изобретения предусматривается СнК для приема сообщений телеметрической информации по радиоканалу. По меньшей мере, в одном варианте реализации изобретения в состав СнК входит, по меньшей мере, один РЧ-модуль, выполненный с возможностью получения сигнала от антенны, включающий, по меньшей мере, один синтезатор частот, по меньшей мере, один смеситель частот, по меньшей мере, один малошумящий усилитель, по меньшей мере, один РЧ-фильтр; по меньшей мере, один модуль преобразования сигнала из аналогового в цифровой вид, по меньшей мере, один блок цифровой обработки входного сигнала, осуществляющий фильтрацию сигнала от РЧ-модуля, выполненный с возможностью выделения нескольких участков спектра сигнала от РЧ-модуля друг от друга с получением основополосного сигнала в каждом таком участке спектра, получения основополосного сигнала участка спектра сигнала от РЧ модуля, с возможностью выбора позиции центральной частоты указанного участка из известного списка значений, по меньшей мере, один блок памяти, выполненный с возможностью хранения полученного сигнала и хранения списков позиций центральных частот обрабатываемых участков спектра и порядка их использования.
[0017] По меньшей мере, в одном варианте реализации изобретения в состав СнК входит, по меньшей мере, один вычислитель, выполненный с возможностью осуществления сдвигов во времени и в частоте полученного сигнала, причем предварительно вычислитель производит сдвиги сигнала по времени таким образом, чтобы величины сдвигов заполняли длительность одного бита данных; затем вычислитель производит сдвиги сигнала по частоте, которые независимы от сдвигов по времени, таким образом, чтобы величины сдвигов заполняли расстояние между поднесущими преобразования Фурье; выполнения обработки каждого полученного на предыдущем шаге сигнала посредством последовательных преобразований Фурье, причем первый временной элемент каждого следующего преобразования располагается сразу после последнего элемента предыдущего преобразования; приема сигнала, при передаче которого осуществлялась смена несущей частоты, причем все частоты, которые использовались при передаче сигнала, попадают в участки спектра, обрабатываемые блоком цифровой обработки входного сигнала, список использованных частот и порядок переключения известны приемнику; по меньшей мере, один интерфейс связи с управляющим устройством.
[0018] По меньшей мере, в одном варианте реализации изобретения в состав СнК может также входить, по меньшей мере, один демодулятор, выполненный с возможностью демодулирования всех полученных каналов в частотной области независимо друг от друга. По меньшей мере, в одном варианте реализации изобретения в состав СнК может также входить, по меньшей мере, одно дополнительное запоминающее устройство для хранения результатов преобразований Фурье и интерфейс для считывания этих результатов из-за пределов СнК.
[0019] По меньшей мере, в одном варианте реализации изобретения в состав СнК может также входить модуль для оценки мощности входного сигнала. По меньшей мере, в одном варианте реализации изобретения в состав СнК может также входить усилитель с переменным усилением. По меньшей мере, в одном варианте реализации изобретения в состав СнК может также входить квадратурный демодулятор. По меньшей мере, в одном варианте реализации изобретения в состав СнК может также входить блок памяти с возможностью однократного программирования. По меньшей мере, в одном варианте реализации изобретения в состав СнК могут также входить блоки обработки цифрового сигнала, выполняющие обработку передаваемых данных. По меньшей мере, в одном варианте реализации изобретения в состав СнК может также входить дополнительный РЧ-модуль, выполненный для передачи сигнала.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0020] Особенности и преимущества не имеющих ограничительного характера вариантов реализации данного раскрытия сущности изобретения станут ясными из приведенного ниже подробного описания и прилагаемых чертежей, на которых:
[0021] На Рис. 1 изображен передатчик и выполненный на базе СнК приемник для приема сообщений LPWAN, передаваемых передатчиком по РЧ-каналу, в соответствии с не имеющими ограничительного характера вариантами реализации изобретения по данной технологии;
[0022] На Рис. 2 изображена блок-схема способа приема РЧ-сообщений при помощи выполненного на базе СнК приемника, предусмотренного на Рис. 1, причем способ реализован в соответствии с не имеющими ограничительного характера вариантами реализации изобретения по данной технологии;
[0023] На Рис. 3 схематично показан сдвиг низкой частоты во времени и в частоте, реализованный в рамках выполненного на базе СнК приемника, предусмотренного на Рис. 1, в соответствии, по меньшей мере, с некоторыми не имеющими ограничительного характера вариантами реализации изобретения по данной технологии; и
[0024] На Рис. 4 схематично изображена блок-схема способа получения отсчетов в частотной области, в соответствии, по меньшей мере, с некоторыми не имеющими ограничительного характера вариантами реализации изобретения по данной технологии.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0025] Не имеющие ограничительного характера варианты реализации изобретения могут быть реализованы в СнК в виде сверхбольшой интегральной схемы или в виде схемы из нескольких кристаллов в одной системе, содержащей блоки аналоговой обработки сигнала, включая, но не ограничиваясь следующими блоками: синтезатор частоты, фильтры низких частот, смеситель частот, усилители и/или малошумящие усилители, аналого-цифровой преобразователь, цифро-аналоговый преобразователь, блоки цифровой обработки сигналов, а также модули интерфейсов с внешними устройствами.
[0026] В рамках приведенного ниже описания сигнал - это физическое явление, содержащее в себе некоторую информацию.
[0027] В рамках приведенного ниже описания система на кристалле (СнК) (как общеизвестно в микроэлектронике) - это электронная схема, выполняющая функции одного устройства (например, вычислителя или приемника радиосигналов) и размещенная на одном кристалле.
[0028] В рамках приведенного ниже описания интегральная (микро) схема - это микроэлектронное устройство - электронная схема произвольной сложности (кристалл), изготовленная на полупроводниковой подложке (пластине или пленке) и помещенная в неразборный корпус или без такового.
[0029] В рамках приведенного ниже описания сверхбольшая интегральная схема (СБИС) - это интегральная схема (ИС), включающая более 10 тыс. элементов в кристалле.
[0030] В рамках приведенного ниже описания синтезатор частот - это устройство для генерации электрических гармонических колебаний с помощью линейных повторений (умножением, суммированием, разностью) на основе одного или нескольких опорных генераторов.
[0031] В рамках приведенного ниже описания электронный усилитель - это прибор, выполненный для усиления электрической мощности. Малошумящий усилитель - это электронный усилитель, в котором приняты специальные меры для снижения уровня собственных шумов, способных вуалировать усиливаемый слабый сигнал.
[0032] В рамках приведенного ниже описания цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) - это устройство, выполненное для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд).
[0033] В рамках приведенного ниже описания аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - это устройство, выполненное для преобразования входного аналогового сигнала в дискретный код (цифровой сигнал).
[0034] В рамках приведенного ниже описания фильтр низких частот (ФНЧ) - это электронный или любой другой фильтр, выполненный для пропускания спектра частотного сигнала ниже некоторой частоты (частоты среза) и подавления частот сигнала выше этой частоты.
[0035] В рамках приведенного ниже описания смеситель частот - это электрическая цепь, выполненная для создания спектра комбинационных частот при подаче на нее двух или более сигналов разной частоты.
[0036] В рамках приведенного ниже описания цифровая обработка сигналов - это способы обработки сигналов на основе численных методов с использованием цифровой вычислительной техники, например, цифровых блоков СнК.
[0037] В рамках приведенного ниже описания фазовая манипуляция (ФМн, англ. phase-shift keying (PSK)) - это один из видов фазовой модуляции, при которой фаза несущего колебания меняется скачкообразно в зависимости от содержания сообщения. Дифференциальная (относительная) двоичная фазовая манипуляция (ОФМн-2, DBPSK) - это ФМн, в которой информация кодируется изменением фазы между символами.
[0038] В рамках приведенного ниже описания контрольная сумма - это некоторое значение, рассчитанное по набору данных путем применения определенного алгоритма и используемое для проверки целостности данных при их передаче или хранении.
[0039] В рамках приведенного ниже описания циклический избыточный код (англ. Cyclic redundancy code, CRC) - это один из алгоритмов нахождения контрольной суммы, предназначенный для проверки целостности данных. Вычисляется с помощью операции деления полиномов над конечным полем.
[0040] В рамках приведенного ниже описания цифровой фильтр - это любой фильтр, выполненный для обработки цифрового сигнала с целью выделения и/или подавления определенных частот этого сигнала.
[0041] В рамках приведенного ниже описания децимация - это уменьшение частоты дискретизации дискретного во времени сигнала путем прореживания его отсчетов.
[0042] В рамках приведенного ниже описания амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) - это зависимость амплитуды выходного сигнала некоторой системы от частоты ее входного гармонического сигнала.
[0043] В рамках приведенного ниже описания полоса пропускания - это диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика акустического, радиотехнического, оптического или механического устройства достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы.
[0044] В рамках приведенного ниже описания квадратурная демодуляция - это преобразование сигналов в квадратурное представление с выделением синфазной и квадратурной составляющих.
[0045] В рамках приведенного ниже описания преобразование Фурье - это операция, сопоставляющая одной функции комплексной переменной другую функцию комплексной переменной, которая описывает коэффициенты при разложении исходной функции на элементарные составляющие - гармонические колебания с разными частотами.
[0046] В рамках приведенного ниже описания дискретное преобразование Фурье - это операция, преобразующая последовательность комплексных значений некоторой функции в последовательность комплексных коэффициентов при элементарных составляющих - гармонических функциях.
[0047] В рамках приведенного ниже описания быстрое преобразование Фурье (БПФ) - это алгоритм вычисления дискретного преобразования Фурье (ДПФ).
[0048] В рамках приведенного ниже описания пропускная способность канала - это максимальная скорость, с которой возможна безошибочная передача данных по радиоканалу.
[0049] В рамках приведенного ниже описания битовая скорость - это объем данных в битах, передаваемый за единицу времени.
[0050] В рамках приведенного ниже описания генератор тактовых импульсов (генератор тактовой частоты) - это устройство, вырабатывающее электрические импульсы заданной частоты, которая используется как эталонная.
[0051] В рамках приведенного ниже описания частота дискретизации (или частота семплирования, англ. sample rate) - это частота взятия отсчетов непрерывного по времени сигнала при его дискретизации (в частности, аналого-цифровым преобразователем).
[0052] В рамках приведенного ниже описания временное разрешение - это интервал времени, определяемый при фиксированном отношении сигнала к шуму и равный минимальной длительности любого из двух прямоугольных импульсов излучения, следующих последовательно со скважностью, равной двум, и еще воспринимаемых раздельно.
[0053] В рамках приведенного ниже описания когерентный прием - это метод приема сигналов, при котором опорное колебание представляет собой точную копию переданного сигнала. Если сигналом является колебание с известной частотой и фазой, то в когерентном приемнике используется синхронный детектор, в котором опорное колебание синхронно с колебанием несущей частоты с учетом начальной фазы принятого сигнала. Общеизвестно, что в отличие от BPSK, при манипуляции DBPSK обеспечивается возможность некогерентного детектирования. Поэтому в соответствии с не имеющими ограничительного характера вариантами реализации изобретения по данной технологии передача сообщений может осуществляться при помощи манипуляции DBPSK.
[0054] В рамках приведенного ниже описания некогерентный прием - это метод приема сигналов, при котором не учитываются сведения о начальной фазе принятого сигнала.
[0055] В рамках приведенного ниже описания символьная синхронизация - это синхронизация, с помощью которой устраняется рассогласование между принимаемым и опорным сигналами с точностью до одного символа.
[0056] Не имеющие ограничительного характера варианты реализации изобретения по данной технологии выполнены для использования в сетях сбора данных в телеметрических системах, в которых требуется передача объема данных (в качестве примера) не более 10-100 байт на расстояния не менее одного километра. В частности, не имеющие ограничительного характера варианты реализации изобретения по данной технологии могут использоваться для передачи данных о состоянии какого-либо датчика, например, открытия двери (в области Интернета вещей). Также не имеющие ограничительного характера варианты реализации изобретения по данной технологии могут использоваться для передачи данных о показаниях какого-либо измерительного устройства, например, счетчика ресурсов в ЖКХ. Исходя из этих особенностей, в конкретных примерах реализации, представленных ниже, используется скорость передачи, при которой сообщения передаются с битовой скоростью 50 бит/с, 100 бит/с, 400 бит/с, 3200 бит/с, не ограничиваясь.
[0057] На Рис. 1 показан приемник 100 (также именуемый в настоящем документе «приемное устройство 100»). Приемник 100 выполнен для приема сообщений в определенной полосе пропускания. Например, полосой пропускания может быть нелицензируемая полоса радиоэфира, такая как 868,7-869,2 МГц). Эта полоса может быть нелицензируемой, как, например, в Российской Федерации. В не имеющих ограничительного характера вариантах реализации изобретения по данной технологии время начала передачи каждого сообщения неизвестно и может быть различным.
[0058] Сообщение представляет собой блок данных размером десять байт или более, формат которого известен как передающему устройству 110 (также именуемому в настоящем документе «передатчик 110»), так и СнК, содержание которого позволяет сообщению быть обнаруженным и принятым на приемнике 100. Сообщение содержит заранее известную последовательность бит, называемую преамбулой, которая используется для первоначального поиска сообщения во входном сигнале, и данные непосредственно сообщения.
[0059] В некоторых не носящих ограничительный характер вариантах реализации изобретения по данной технологии сообщение также содержит дополнительную служебную информацию, например, счетчик переданных сообщений. В некоторых не носящих ограничительный характер вариантах реализации изобретения по данной технологии сообщение содержит контрольную сумму, избыточный циклический код или другой набор дополнительных данных, которые используются для контроля правильности приема сообщения. Сообщение также может содержать дополнительные данные помехоустойчивого кодирования, которые могут использоваться для исправления ошибок в принятом сообщении.
[0060] Принимающее устройство 100 содержит СнК 120. Принимающее устройство 100 также имеет блоки обработки РЧ-сигнала 140. СнК 120 содержит один или несколько блоков обработки РЧ 140. РЧ-модуль - это набор блоков, где производится обработка сигналов аналоговым образом, в том числе на радиочастоте. Принимающее устройство 100 может также содержать другие блоки, например, вычислительное устройство общего назначения, другие блоки, обусловленные назначением принимающего устройства, такие как, например, блоки управления чем-либо, либо измерения чего-либо. Также принимающее устройство 100 может включать в себя антенну 122 для непосредственного приема и передачи радиосигнала из эфира и в эфир.
[0061] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах реализации изобретения по данной технологии частота передачи выбирается из набора частот, известного СнК 120, в пределах полосы пропускания СнК 120. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах реализации изобретения по данной технологии частота передачи сообщения может быть фиксированной для каждого устройства, либо псевдослучайно выбираться из набора известных частот, либо задаваться оператором СнК 120.
[0062] При этом ошибка генерации выбранной частоты на стороне передающего устройства 110 может быть значительно больше как полосы сообщения, так и шага частотной сетки (расстояния между соседними частотами из сетки).
[0063] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах реализации изобретения по данной технологии частота передачи может выбираться из набора частот, которые отстоят от центральной частоты полосы пропускания приемной СнК 120 на 20 КГц, 50 КГц, 80 КГц и так далее, не ограничиваясь, до тех пор пока такие частоты будут попадать в полосу пропускания СнК 120.
[0064] По меньшей мере, в одном варианте реализации изобретения частота передачи сообщения может выбираться в зависимости от контрольной суммы. Например, от контрольной суммы значения циклического избыточного кода сообщения.
[0065] У принимающего устройства 100 отсутствует точная информация о времени и частоте передачи сообщений с передающего устройства 110, так как точность времени и установки несущей частоты на передающем устройстве 110 зависит от точности генератора тактовой частоты, от точности генератора радиочастоты, от точности часов реального времени, от конкретного технологического процесса производства передающего устройства 110 и его компонент, от температуры окружающей среды и многих других факторов. В системах сбора телеметрической информации зачастую отсутствует возможность компенсации всех перечисленных факторов на стороне передающего устройства 110. В других системах, известных из уровня техники, напротив, может осуществляться подобная компенсация. Например, в сотовой связи точность установки времени передачи сигнала достигается за счет синхронизации часов клиентских телефонов с часами базовых станций. Также, в некоторых вариантах реализации устройств в других системах, известных из уровня техники, точное время снимается со спутниковой системы навигации.
[0066] В настоящем документе показан пример не имеющих ограничительного характера вариантов реализации изобретения по данной технологии на примере битовой скорости 50 бит/с.
[0067] На Рис. 1 изображена СнК 120, в соответствии, по меньшей мере, с одним вариантом реализации изобретения. СнК 120 выполнена для приема сигналов из радиоэфира с их последующей обработкой.
[0068] На Рис. 2 показана блок-схема способа 200 приема сообщений телеметрической информации по радиоканалу, в соответствии, по меньшей мере, с одним вариантом реализации изобретения. Способ 200 более подробно описан ниже посредством работы последовательных вычислительных шагов.
[0069] Шаг 201: получают сигнал на вход РЧ-модуля 140.
[0070] Шаг 210: выполняют усиление сигнала при помощи малошумящего усилителя 115.
[0071] После этого с помощью смесителя 150 переносят сигнал в область низких частот. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах реализации изобретения по данной технологии смеситель 150 использует только один сигнал от синтезатора частот 160. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах реализации изобретения по данной технологии смеситель 150 использует сигнал от синтезатора частот 160 и его копию, сдвинутую по фазе на 90 градусов, и формирует на выходе квадратурное представление сигнала. Далее сигнал может поступать на один или несколько фильтров низких частот (ФНЧ) 170. Далее сигнал поступает на один (или - в случае квадратурного представления - на два) блока АЦП 180. После блока (блоков) АЦП сигнал поступает на выход РЧ-модуля 140.
[0072] Шаг 220 способа 200, показан на Рис. 2: получают сигнал с выхода входного РЧ-модуля 140.
[0073] Сигнал, полученный с РЧ-модуля 140, может содержать сообщения от одного или нескольких передающих устройств 110, либо в конкретный момент времени может не содержать сигналов от устройств.
[0074] По меньшей мере, в одном варианте реализации изобретения входной РЧ-модуль 140 выполнен для подключения к принимающей антенне 122, усиления сигнала, полученного с антенны 122, выполнения аналоговой фильтрации сигнала с помощью ФНЧ 170, генерации опорной частоты; переноса сигнала в область низких частот для дальнейшей цифровой обработки и выполнения аналого-цифрового преобразования сигнала.
[0075] В некоторых вариантах реализации изобретения РЧ-модуль 140 осуществляет квадратурную демодуляцию сигнала.
[0076] В некоторых вариантах реализации изобретения РЧ-модуль 140 также содержит модуль оценки силы сигнала.
[0077] В некоторых вариантах реализации изобретения РЧ-модуль 140 также содержит усилитель с переменным усилением.
[0078] В некоторых вариантах реализации изобретения РЧ-модуль 140 также выполнен для обеспечения передачи радиосигнала. В таком случае РЧ-модуль 140 может выполнять одну или несколько из следующих функций-операций: цифро-аналоговое преобразование (посредством ЦАП), генерация радиочастоты (посредством синтезатора частоты), квадратурная модуляция (посредством модулятора), прямая модуляция ФМн-2 с помощью вращения фазы радиосигнала, усиление сигнала, аналоговая фильтрация сигнала, передача сигнала на передающую антенну.
[0079] В некоторых вариантах реализации изобретения СнК 120 содержит аналоговые блоки, выполняющие функции РЧ-модуля, осуществляющие усиление (например, малошумящий усилитель 115), фильтрацию и квадратурную демодуляцию радиосигнала, а также аналогово-цифровое преобразование. В других вариантах реализации РЧ-модуль 140 содержится в общем корпусе с СнК 120.
[0080] В некоторых вариантах реализации изобретения СнК 120 содержит два разных РЧ-модуля 140: один для приема, а другой для передачи сигналов.
[0081] В некоторых вариантах реализации изобретения СнК 120 содержит блоки цифровой обработки сигнала, используемые для обработки передаваемых данных.
[0082] В некоторых вариантах реализации изобретения передача сигнала осуществляется при помощи модуляции BPSK.
[0083] Шаг 230 способа 200, показан на Рис. 2: производят фильтрацию входного сигнала и перенос частот с получением, по меньшей мере, одного низкочастотного сигнала из одного из участков спектра входного сигнала, поступающего от РЧ-модуля 140.
[0084] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах реализации изобретения по данной технологии осуществляется серия переносов частоты и операций фильтрации в СнК 120 с получением низкочастотных сигналов из нескольких участков спектра.
[0085] Например, в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах реализации изобретения по данной технологии одновременно получают низкочастотные сигналы из участков спектра на расстоянии +20 КГц и -20 КГц от центра полосы пропускания РЧ-модуля 140 СнК 120. Сообщения передаются с переключением передатчика между данными участками спектра и принимаются с использованием двух низкочастотных сигналов. Схема переключения известна и на передатчике 110, и на приемнике 100. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах реализации изобретения по данной технологии схема переключения может храниться в памяти в виде списка чисел, соответствующих интервалам времени, по прошествии которых с начала передачи сообщения необходимо переключить частоту.
[0086] В некоторых вариантах реализации изобретения СнК 120 содержит дополнительные блоки цифровой обработки входного сигнала, в частности, дополнительные фильтры низких частот (ФНЧ) и другие блоки. На Рис. 1 изображен блок цифровой обработки входного сигнала 171, выполненный для фильтрации сигнала, полученного от РЧ-модуля. По меньшей мере, в одном варианте реализации изобретения блок цифровой обработки входного сигнала 171 выполнен для выделения в составе сигнала, по меньшей мере, двух участков спектра и получения в каждом, по меньшей мере, из двух участков спектра низкочастотного сигнала путем выбора позиции центральной частоты каждого, по меньшей мере, из двух участков спектра из заранее определенного списка значений.
[0087] Шаг 240 способа 200, показан на Рис. 2: производят сдвиги полученного сигнала во времени и в частоте.
[0088] На следующем шаге работы алгоритма производят сдвиги полученного на предыдущих шагах сигнала во времени и в частоте посредством вычислителя 190.
[0089] Сначала производят сдвиги сигнала по времени таким образом, чтобы величины сдвигов равномерно заполняли длительность одного бита данных.
[0090] Затем производят сдвиги сигнала по частоте таким образом, чтобы величины сдвигов равномерно заполняли расстояние между поднесущими преобразования Фурье, которые применяются к каждому результату сдвигов во времени независимо.
[0091] Шаг 250 способа 200, показан на Рис. 2: выполняют обработку полученного на шаге 240 сигнала посредством последовательных преобразований Фурье, причем первый элемент каждого следующего преобразования следует сразу же за последним элементом предыдущего преобразования.
input
[0092] Вычислитель 190 последовательно осуществляет серию преобразований Фурье входного сигнала порядка N. Первая серия преобразований производится вычислителем 190 с данными, поступающими с частотой дискретизации F с момента времени t0 (сплошная линия 310 на Рис. 3), следующие - с момента времени t1 (пунктирная линия 320 на Рис. 3, показан также дополнительный частотный сдвиг) и так далее. Назовем каналом в частотной области ряд комплексных коэффициентов при одной из гармоник на выходе преобразования Фурье, получающихся в результате серии последовательных преобразований Фурье, с определенным временным сдвигом первого преобразования в ряду и общим частотным сдвигом. В результате каждой серии преобразований будет получено N частотных каналов.
input
[0093] Например, на вход вычислителя 190 поступает поток с частотой дискретизации F=51 200 Гц, затем выполняют быстрое преобразование Фурье с N=1024, и получают 1024 канала с частотой дискретизации 50 Гц. Данные в этих 1024 каналах будут передаваться с скоростью 1/N от входной. Если в данном случае выполнять преобразования Фурье с N=16, получатся 16 каналов с частотой дискретизации 3200 Гц. Информация в полученных каналах в частотной области будет содержаться в комплексных коэффициентах при соответствующих гармониках на выходе блока преобразования Фурье 192.
[0094] Преобразования Фурье позволяют переносить в область нулевой частоты все частоты f0, f1 … fN, соответствующие N поднесущим преобразования Фурье. При этом попутно осуществляется фильтрация при выполнении суммирования в преобразовании Фурье.
[0095] Длина блока во времени, подаваемого на блок преобразования Фурье выбирается совпадающей с длиной бита. Рассмотрим один канал в частотной области. При идеальной битовой синхронизации, то есть совпадении начала и конца блоков данных, которые подаются на преобразование Фурье, и фактических начала и конца передаваемых бит, каждый коэффициент при гармонике после преобразования Фурье будет содержать информацию только об одном бите, и одновременно информация о каждом бите будет содержаться только в одном коэффициенте.
[0096] Такой выбор параметров преобразования Фурье позволяет в случае битовой синхронизации близкой к идеальной сразу использовать данные в частотных каналах для детектирования сообщений во входном сигнале и демодуляции данных. При этом, такая последовательность позволяет использовать всю входную полосу, но, как легко заметить, не обеспечивает точности временной синхронизации в одном выбранном канале. В одном выбранном канале, нет возможности приема при несовпадении начала и конца бит в эфире с началом и концом преобразований Фурье. Специалисту в данном уровне техники известно, что для осуществления битовой синхронизации требуется, по меньшей мере, четыре точки на символ (в конкретном примере реализации символ - это один бит). Например, в системах на основе частотного ортогонального мультиплексирования (OFDM) разрешение временной синхронизации составляет, как правило, один такт общей частоты синхронизации для всей полосы пропускания.
[0097] Для повышения временного разрешения схемы в способе используют все серии преобразований Фурье (сплошная линия 310, пунктирная линия 320 и штрихпунктирная линия 330 на Рис. 3 и другие не показанные на Рис. 3 серии), начальные моменты времени t0 которых (рядов преобразований) смещены относительно друг друга в пределах длины бита. Длина преобразований Фурье при этом сохраняется равной длине бита. Таким образом, не повышается временное разрешение для поиска временной синхронизации после блока преобразования Фурье в каждой отдельной серии преобразований. В свою очередь, используется несколько серий преобразований, с помощью которых повышается общее качество битовой синхронизации системы.
[0098] Аналогично с помощью частотных сдвигов входного сигнала повышается частотное разрешение приемника, так как разрешение одного блока преобразования Фурье ограничено расстоянием между его поднесущими.
[0099] При этом на Рис. 3 для более удобного отображения и восприятия не показаны остальные варианты рядов преобразований, в частности смещенные (относительно изображенных) по времени во всех возможных вариантах.
[00100] Все описанные операции, включая сдвиги сигнала во времени и частоте, производятся вычислителем 190 в режиме реального времени, независимо от наличия или отсутствия полученных сообщений.
[00101] На Рис. 4 схематично изображена блок-схема способа получения отсчетов в частотной области, в соответствии, по меньшей мере, с некоторыми не имеющими ограничительного характера вариантами реализации изобретения по данной технологии.
input
[00102] Поток входных данных 405 приходит 410 во входной буфер из РЧ-модуля 140, либо из блоков цифровой обработки сигнала Р с частотой дискретизации F. Входной буфер представляет из себя блок памяти, достаточный для хранения N временных отсчетов. Из входного буфера 410 выходят М параллельных совпадающих потоков данных (поток 1 412, поток 2 414, … поток М 416 на Рис. 4), при этом потоки данных 412, 414, 416 различаются метками начала и конца блока данных для очередного Блока преобразования Фурье.
[00103] Пусть входной поток 405 приходит, например, на скорости 51200 Гц, отсчеты записываются во входной буфер. Отсчеты с 1 по 1024 формируют первый блок в первом ряду преобразований Фурье, следующий блок в этом ряду будет содержать отсчеты с 1025 по 2048, и так далее. Видно, что вероятность того, что очередной бит сообщения начнется рядом с началом очередного блока, достаточно мала. Например, бит может начаться с 512 отсчета, тогда половина бита попадет в первый блок, а вторая половина во второй. Это приведет к тому, что сообщение в дальнейшем не получится принять. Эту ситуацию невозможно исправить в рамках одной серии преобразований Фурье, так как длина преобразования должна совпадать с длиной бита, чтобы в случае хорошей битовой синхронизации можно было использовать результаты преобразований Фурье для детектирования и приема сигнала.
[00104] В связи с этим начинают дополнительные серии преобразований Фурье - вторую: с 257 отсчета до отсчета 1280, далее с 1281 до 2304 и т.д. Данная серия будет сдвинута относительно первой на 256 отсчетов, что составляет четверть длины бита. Аналогично еще две серии - с 513 до 1536 и далее с 1537 до 2560 отсчета и так далее со сдвигом на половину длины бита относительно первой серии, и четвертая серия - с 769 до 1972 и так далее со сдвигом в три четверти длины бита. Первый блок следующего ряда, добавленного аналогичным образом, будет вторым блоком первого ряда, и далее 5-й ряд будет совпадать с первым.
[00105] Если, например, бит начался около 500 отсчета, значит он начался близко к началу третьего ряда сдвигов, значит внутри блока с 512 по 1536 отсчеты будут принадлежать в большинстве своем к одному и тому же биту, как и далее для всех блоков в этом ряду.
[00106] Видно, что в самом плохом случае бит может начаться между началами соседних блоков, например, около 128 отсчета. Тогда такой бит будет пересекаться как с блоком 1-1024, так и с блоком 256-1280 на 7/8 своей длины, что позволяет принять сигнал в одном из этих случаев (или даже в обоих).
[00107] В некоторых вариантах реализации изобретения расстояние между поднесущими преобразования Фурье может составлять 50 Гц. Полоса пропускания сигнала может быть примерно равна 70 Гц. В силу того, что точная частота принимаемого сигнала неизвестна, возможна ситуация, когда центр полосы пропускания принимаемого сигнала окажется между поднесущими преобразования Фурье.
[00108] Аналогично обстоит ситуация с временной синхронизацией, лучше, когда центр полосы пропускания принимаемого сигнала находится ближе к одной из поднесущих преобразования Фурье.
[00109] Для добавления новых частотных позиций поднесущих каждый поток данных поступает на блок добавления частотных сдвигов, который также находится на системе на кристалле. Каждый сдвиг, как уже говорилось выше, меньше расстояния между поднесущими блока преобразования Фурье и служит для повышения размерности блока преобразования Фурье. Все М потоков сдвигаются по частоте на F сдвигов (включая сдвиг на 0 Гц, то есть отсутствие сдвига). Таким образом, на блок преобразования Фурье поступают данные с M*F вариантами сдвигов в частоте и времени (потоки 432а, … 432f, … 436а, …, 436f).
[00110] Для этого входные данные сдвигают по частоте на шагах 422, 424, 426 аналогично сдвигам по времени, чтобы полученные сдвиги равномерно заполняли пространство между поднесущими одного преобразования Фурье.
[00111] Например, в случае расстояния 50 Гц между поднесущими Фурье сдвиги производятся на частоту +16 Гц и +33 Гц (что то же самое, что на -16 Гц с точностью до соседних поднесущих), таким образом сетка поднесущих преобразования Фурье для всей СнК 120 расширится. К частотам 0 Гц, +-50 Гц, +-100 Гц и т.д. добавятся частоты +-16 Гц, +-32 Гц, +-66 Гц и т.д.
[00112] На вход блока преобразования Фурье будут поступать 440 M*F независимых параллельных канала данных (потоки данных 432а, …, 432f, …, 436а, …, 436f на РИС. 4) - со всеми возможными частотными сдвигами и со всеми временными сдвигами. Соответственно на выходе каждого блока преобразования Фурье будет по N каналов, что дает всего M*N*F потоков данных (потоки данных 452а, …, 452f, …, 456а, …, 456f на РИС. 4).
[00113] Шаг 260 способа 200, показан на Рис. 2: демодулируют все полученные каналы в частотной области независимо друг от друга.
[00114] На шаге 260 над потоками данных производят обычные операции, необходимые для детектирования сообщений. Например, поиск преамбулы сообщения, символьная синхронизация, исправление ошибок, устранение влияния канала и другие операции.
[00115] При этом все каналы демодулируются независимо друг от друга демодулятором 195 без учета того, что сообщения в таких каналах могут совпадать по времени и частоте. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах реализации изобретения по данной технологии проверка сообщений на целостность и корректность производится после демодуляции посредством проверки контрольной суммы. Например, проверка сообщений может производиться с помощью циклического избыточного кода, передаваемого в составе сообщения. Может вычисляться значение кода для принятого сообщения и сравниваться с переданным значением кода, вычисленным на стороне передающего устройства. Для правильно переданного и принятого сообщения эти значения совпадают.
[00116] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах реализации изобретения по данной технологии для демодуляции демодулятор 195 использует независимо синфазную и квадратурную составляющие каждого полученного в частотной области канала. Например, данные могут быть приняты согласно знакам составляющих, причем положительное значение может соответствовать нулевому биту данных, а отрицательное единичному, либо наоборот. Для устранения неопределенности могут быть использованы обычные методы. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах реализации изобретения по данной технологии для определения соответствия бит знакам может использоваться преамбула. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах реализации изобретения по данной технологии для этого может использоваться контрольная сумма.
[00117] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах реализации изобретения по данной технологии для проверки целостности полученных сообщений после демодуляции используется входящая в состав сообщения контрольная сумма, например, циклический избыточный код.
[00118] Еще раз посмотрим на Рис. 1, СнК 120 для приема сообщений телеметрической информации по радиоканалу также содержит, по меньшей мере, один вычислитель 190.
[00119] Вычислитель 190 выполнен для осуществления сдвигов во времени и в частоте сигнала. Вычислитель 190 выполнен, во-первых, для осуществления сдвигов сигнала по времени таким образом, чтобы величины сдвигов заполняли длительность одного бита данных. Во-вторых, вычислитель 190 выполнен для осуществления сдвигов сигнала по частоте, при этом сдвиги по частоте независимы от сдвигов по времени, таким образом, чтобы величины сдвигов заполняли расстояние между поднесущими преобразования Фурье. Вычислитель 190 также выполнен для обработки каждого полученного в результате сдвига по времени и частоте сигнала посредством последовательных преобразований Фурье, причем первый временной элемент каждого следующего преобразования располагается сразу после последнего элемента предыдущего преобразования.
[00120] Также вычислитель 190 может быть выполнен для осуществления фильтрации сигнала фильтром нижних частот, переноса по частоте и выделения низкочастотных сигналов.
[00121] Вычислитель 190 выполнен для осуществления шагов 201-260 способа 200, описанного выше.
[00122] Вычислитель 190 может быть реализован как программно, так и аппаратно в составе СнК. Вычислитель 190 может содержать один или несколько процессоров цифровой обработки сигналов (DSP) или нейросетевых процессоров разного типа. В некоторых вариантах реализации изобретения вычислитель 190 может выполнять шаги 201-260 параллельно.
[00123] Также СнК 120 может включать блок памяти 121, который включает в себя память данных и память программ. Память программ может хранить программы для управления общей работой СнК 120. Блок памяти 121 может включать в себя внешнюю память, такую как, например, флэш-память (стандарта) CompactFlash (CF), флэш-память формата Secure Digital (SD), флэш-память формата Micro-SD, флэш-память формата Mini-SD, флэш-память формата Extreme Digital (xD), карту памяти (цифрового фотоаппарата) или подобное. Блок памяти 121 может также включать в себя дисковое ЗУ, такое как, накопитель на жестком диске (HDD) или твердотельный диск (SSD).
[00124] СнК 120 может также включать в себя антенну 122. Антенна 122 может быть как передающая, так и принимающая, соединенная с РЧ-модулем 140, причем антенна 122 включает в себя один или более антенных элементов. В качестве альтернативы, или в дополнение, одна или больше из антенн 122 могут представлять собой специально выделенные приемные антенны или специально выделенные передающие антенны.
[00125] В некоторых вариантах реализации изобретения СнК 120 может быть реализована на нескольких кристаллах, помещенных в единый корпус (англ. System in a package, SiP).
[00126] В некоторых вариантах реализации изобретения радиочастотные принимающие устройства 100 и передающие устройства 110 выполнены, по меньшей мере, на одном полупроводниковом кристалле. Такие микросхемы выполняют различные частные функции радиочастотных преобразований сигнала - усиление, ослабление, изменение центральной частоты и т.п.
[00127] В некоторых других вариантах реализации изобретения каждое радиочастотное принимающее устройство 100 выполнено на одной полупроводниковой микросхеме, а также и каждое радиочастотное передающее устройство 110 выполнено на одной полупроводниковой микросхеме. В таких вариантах реализации изобретения используются микросхемы с более высокой степенью интеграции так, что все необходимые функции принимающего устройства 100 и передающего устройства 110 выполняются только одной микросхемой (за исключением простых необходимых внешних элементов и генератора опорного сигнала).
[00128] Все блоки, используемые в СнК 120, могут быть реализованы с помощью электронных компонент, используемых для создания цифровых интегральных схем и известных специалисту в данном уровне техники. В некоторых вариантах реализации изобретения для реализации блоков СнК 120 могут использоваться микросхемы, логика работы которых может определяться при изготовлении или задаваться посредством программирования. Для программирования используются программаторы и отладочные среды, позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в виде принципиальной электрической схемы или программы на специальных языках описания аппаратуры, таких как: Verilog, VHDL, AHDL и др.
[00129] Некоторые части описания не имеющих ограничительного характера вариантов реализации изобретения по данной технологии представлены в виде алгоритмов и символического представления операций с битами данных в памяти кристалла. Такие описания и представления алгоритмов представляют собой средства, используемые специалистами в области обработки данных, чтобы наиболее эффективно передавать сущность технического решения другим специалистам в данной области. В настоящем документе и в целом алгоритмом называется последовательность вычислительных операций, приводящих к требуемому результату. Операции требуют физических манипуляций с физическими величинами. Обычно, хотя и не обязательно, эти величины принимают форму электрических или магнитных сигналов, которые можно хранить, передавать, комбинировать, сравнивать и подвергать другим манипуляциям.
[00130] Однако следует иметь в виду, что все эти термины должны быть связаны с соответствующими физическими величинами, и что они представляют собой просто удобные названия, применяемые к этим величинам. Если иное специально и недвусмысленно не указано в формуле изобретения, следует принимать, что везде по тексту такие термины как «определение», «вычисление», «расчет», «получение», «установление», «изменение» и т.п., относятся к действиям и процессам вычислительного устройства, например, системы на кристалле, или аналогичного электронного вычислительного устройства, которое работает с данными и преобразует данные, представленные в виде физических (например, электронных) величин в регистрах и памяти вычислительного устройства, в другие данные, аналогичным образом представленные в виде физических величин в памяти или регистрах вычислительного устройства, либо других подобных устройствах хранения, передачи или отображения информации.
[00131] Не имеющие ограничительного характера варианты реализации изобретения по данной технологии могут быть осуществлены в других конкретных формах в рамках конструкций, способов или других существенных характеристик технологии в соответствии с приведенным в данном документе подробным описанием и нижеследующей формулой изобретения. Описанные варианты реализации должны рассматриваться во всех отношениях только как иллюстративные и не ограничительные.