УСТРОЙСТВО СИНХРОНИЗАЦИИ В СИСТЕМЕ РАДИОСВЯЗИ С ПРОГРАММНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ
DEVICE FOR SYNCHRONISATION IN RADIO COMMUNICATION SYSTEM WITH PROGRAMMED OPERATIONAL FREQUENCY TUNING

Настоящее изобретение относится к радиотехнике и может применяться в системах радиосвязи, использующих программную (псевдослучайную) перестройку рабочей частоты, функционирующих в условиях случайных изменений частоты сигналов, обусловленных, в том числе, и эффектом Допплера.
Известны системы радиосвязи с программной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ), представленные, например, в монографии: Мельников А.А. и др. «Радиолинии с программной перестройкой рабочих частот» - Ленинград: ВАС, 1989-94 с.
Наиболее близкой по технической сущности к заявленному устройству (прототипом) является система синхронизации радиолиний с ППРЧ, описанная в монографии В.И. Борисова и др.: «Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра прямой модуляцией псевдослучайной последовательностью» - М: «Радиософт», 2011, стр.446, рис.9.9 а, б, стр.428, рис.9.2.
Неотъемлемой частью устройств синхронизации систем радиосвязи с ППРЧ являются высокостабильный опорный генератор, формирующий необходимые последовательности сигналов, синхронизированные по единому времени, генератор псевдослучайных последовательностей, определяющий программу псевдослучайной перестройки рабочих частот и блок управления, обеспечивающие в совокупности функционирование всех элементов, входящих в состав устройства синхронизации, в соответствии с заданным алгоритмом.
Помимо указанных выше устройств рассматриваемый прототип содержит также N параллельных каналов приема сигналов. Количество каналов N определяется требуемой точностью оценки величины задержки сигнала во времени, которая зависит от времени распространения сигналов на трассе и точности установки единого времени на приеме и передаче.
Параллельные каналы являются достаточно сложными устройствами. В состав каждого из них входит коррелятор, нелинейный элемент, линия задержки и сумматор. Согласованная работа параллельных каналов обеспечивается подачей сигналов коммутации каналов от блока управления (рис.9.9 б прототипа).
Синхронизация каналов ППРЧ по времени (определение задержки по времени) возможна в принципе при отказе от использования N параллельных каналов, однако в этом случае время синхронизации увеличивается в N раз.
Недостатком прототипа является также отсутствие возможности функционирования системы в условиях эффекта Допплера.
Задачей изобретения является обеспечение работы радиолинии в условиях задержки сигналов по времени и сдвига по частоте (эффект Допплера),
В результате решение поставленной задачи в заявленном устройстве обеспечено одновременное определение задержки сигнала по времени и сдвига по частоте. При этом дополнительно достигается упрощение конструкции, а также сокращаются временные затраты на синхронизацию и подстройку по частоте.
s
Решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что в состав устройства синхронизации по времени (определения задержки сигналов по времени) системы радиосвязи с программной перестройкой рабочей частоты, содержащего опорный генератор (ОГ); блок управления (БУ), генератор псевдослучайных последовательностей (ПСП), введен блок аналого-цифрового преобразователя (АЦП), вход которого (выход сигнала промежуточной частоты приемника системы радиосвязи) является входом устройства синхронизации. На другой вход блока АЦП с выхода блока управления БУ подается напряжение с частотой дискретизации входного сигнала f. Это напряжение формируется с помощью сигналов, поступающих на вход БУ с выхода опорного генератора (ОГ). С выхода блока АЦП сигналы в цифровом виде поступают на вход блока «оконной» обработки сигнала (БОО). С выхода блока «оконной» обработки БОО сигналы поступают на вход блока дискретного преобразования Фурье (ДПФ). С выхода блока ДПФ сигналы поступают на вход блока формирования гипотез (вариантов) о значении величины задержки сигналов по времени и сдвига по частоте (БФГ).
ij
В блоке БФГ осуществляется определение величины S, соответствующей гипотезе для i-той задержки по времени и j-того сдвига по частоте.
max
min
При этом i∈[i(T), i(T)], i - временной индекс последовательности входных отсчетов сигнала после оконной обработки;
max
min
T, T - максимальные и минимальные значения задержек по времени приема сигналов;
max
m
i∈[j(F), j(F,n)], i -индекс ДПФ в частотной области,
max
min
F, F- максимальные и минимальные значения сдвига сигнала по частоте, обусловленного эффектом Допплера.
С выхода блока БФГ результаты определения вероятностей приема сигналов при использовании той или иной гипотезы, соответствующей различным значениям задержки по времени и сдвига по частоте, поступают на вход блока определения глобального максимума (БОГМ), в котором путем сравнения различных гипотез определяется та из них, при использовании которой обеспечивается максимальная помехозащищенность приема. Результаты определения гипотезы поступают на выход БОГМ и далее на демодулятор сигналов.
На чертеже представлена структурная схема устройства синхронизации в системе радиосвязи с программной перестройкой рабочей частоты, обеспечивающей функционирование системы радиосвязи с программной перестройкой рабочей частоты при наличии эффекта Допплера.
Управление работой устройства осуществляется блоком управления (БУ), выходы которого соединены с входами блоков АЦП, БОО, ДПФ, БФГ, генератора ПСП; выход генератора ПСП соединен со входом блока БФГ.
Структурная схема содержит:
1 - блок аналого-цифрового преобразователя (АЦП);
2 - блок «оконной» обработки сигнала (БОО);
3 - блок дискретного преобразования Фурье (ДПФ);
4 - блок формирования гипотез о значении величины задержки сигналов но времени и сдвига по частоте (БФГ);
5 - блок определения глобального максимума (БОГМ);
6 - опорный генератор (ОГ);
7 - генератор псевдослучайных последовательностей (ПСП);
8 - блок управления (БУ).
Работа устройства заключается в следующем.
п
s
n
п
п
Сигналы с выхода промежуточной частоты радиоприемного устройства системы связи в полосе частот ППРЧ AF поступают на вход блока АЦП, где осуществляется их преобразование в цифровую форму. Частота преобразования f задается блоком управления и определяется шириной полосы частот сигналов с ППРЧ AF,; f>2ΔF (см. Ричард Лайоис, «Цифровая обработка сигналов». Бином, Москва, 2006).
s
С выхода блока АЦП отсчеты значений напряжений сигнала с частотой f в цифровой форме поступают на вход блока (БОО).
п
«Оконная» обработка сигналов обеспечивает построение с помощью ДПФ текущего частотного спектра сигналов в полосе ΔF с минимальными искажениями, обусловленными эффектом «утечки» спектра обрабатываемых сигналов (см. Ричард Лайоис, «Цифровая обработка сигналов». Бином, Москва, 2006).
С выхода блока «оконной» обработки сигналов цифровая последовательность поступает на вход блока ДПФ, осуществляющего дискретное преобразование Фурье.
п
На другой вход блока ДПФ поступает тактовая последовательность от блока управления, необходимая для реализации процедуры ДПФ. С помощью ДПФ определяются значения амплитуд бинов спектра сигнала в полосе частот AF.
п
Каждый бин может рассматриваться как результат узкополосной фильтрации сигналов, поступающих на вход устройства синхронизации в полосе частот ППРЧ, равной ΔF.
Расстояние по частоте между бинами, равное , где N - количество точек ДПФ, выбирается таким образом, чтобы остаточная погрешность оценки сдвига сигналов по частоте, возникающая после определения частотного сдвига из-за эффекта Допплера путем выбора соответствующего бина частотного спектра, не превышала допустимую с точки зрения потерь помехоустойчивости сигнала.
п
Система «оконной» обработки сигнала и ДПФ выполняют одновременно функции гребенки узкополосных фильтров, количество которых обеспечивает фильтрацию сигналов ППРЧ в пределах полосы частот AF, определение задержки сигналов ППРЧ в радиолинии, а также устранение частотного сдвига при приеме сигналов ППРЧ, вызванного воздействием эффекта Допплера.
Для решения задач оценки времени задержки и частотного сдвига в начале сеанса связи осуществляется передача известной на приеме тестовой псевдослучайной комбинации, оценка качества приема которой при разных частотных сдвигах и разных значениях задержки, задаваемых в системе синхронизации, позволяет оценить время задержки и частотный сдвиг сигналов в радиолинии и использовать эти данные в процессе приема информации после завершения приема тестовой комбинации.
Результаты ДПФ (значения бинов ДПФ) после окончания приема тестовой комбинации поступают на вход блока формирования гипотез (вариантов) приема тестовой комбинации при различных значениях задержки сигналов по времени и сдвига по частоте БФГ.
ij
В блоке БФГ осуществляется определение величин S - значений гипотез (в цифровой форме), пропорциональных вероятности правильного приема заранее известных на приеме псевдослучайных сигналов для каждой из возможных гипотез (вариантов) дискретных значений сдвигов сигналов по частоте j и задержек по времени i.
Полученные оценки формируются в блоке в течение времени приема сигналов синхронизации (тестовой комбинации).
Для обеспечения приема тестовой комбинации в блоке БФГ от блока управления БУ поступают управляющие сигналы, а от генератора ПСП в блок БФГ поступают ПСП, соответствующие передаваемой тестовой последовательности.
Количество формируемых гипотез, определяющих вероятность приема сигналов (точность оценки времени задержки и допплеровского сдвига по частоте) зависит от возможных пределов времени задержки и величины допплеровского сдвига, а также от допустимых потерь помехоустойчивости принимаемых сигналов из-за погрешности определения времени задержки и сдвига по частоте.
max
min
max
min
Если интервал изменений значений времени задержки ΔT=T-T, где T -максимальное время задержки, T - минимальное время задержки, то количество проверяемых гипотез К относительно времени задержки будет равно
,
где Δt - допустимая величина погрешности оценки времени задержки сигналов.
Величина Δt«t, где t - длительность элемента сигнала с ППРЧ.
max
min
При возможной величине частотного сдвига ΔF, равной ΔF=F-F, и допустимой величине погрешности оценки частотного сдвига, равной Δf, количество m проверяемых гипотез
Величина Δf равна
, где
s
f- частота дискретизации поступающих на АЦП сигналов,
N - количество точек БПФ
.
Таким образом, общее число формируемых в блоке БФГ гипотез G, позволяющих оценить вероятностям правильного приема сигналов, при любом возможном сочетании значений задержки по времени и величины частотного сдвига равно:
G=m х n.
ij
Определенные в блоке БФГ значения величин S
max
min
max
min
max
max
max
max
i∈[i(T, T)], j∈[j(F, jF)], общее количество которых равно G, поступают в блок определения глобального максимума БОГМ. В блоке БОГМ определяются значения i, j, которые соответствуют глобальному максимуму в совокупности {Sij}. Эти значения временных τ(i) и частотных f(j) поправок обеспечивают прием сигналов с ППРЧ при минимальной вероятности ошибок.
Определение глобального максимума может осуществляться путем, например, перебора всех G гипотез. Значения i и j, соответствующие глобальному максимуму, с выхода БОГМ поступают на демодулятор ППРЧ и используются при демодуляции сигналов.