АДАПТИВНАЯ СТАНЦИЯ СВЯЗИ

Адаптивная станция связи
Система адаптивной радиосвязи относится к области техники связи и может быть использована, в частности, в двухсторонних линиях цифровой радиосвязи, использующих частотно-угловое разнесение и работающих в условиях замираний уровня сигналов.
Известны линии радиосвязи, использующие различные виды разнесения, описанные, например, в кн.: Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра. / Под ред. В.И. Журавлева. М.: Радио и связь, 2000, или в авторском свидетельстве СССР №565400 от 22.09.75 на «Устройство для передачи и приема радиосигналов с автоматическим выбором оптимальной частоты», авторы Е.И. Клиот и Л.И. Чернобельский, МКИ Н04В 7/22, оп. 15.07.77, Бюл. №26.
Соответствующие устройства могут работать на нескольких каналах передачи/приема, при этом на каждой стороне двухсторонней связи на основе анализа в приемнике одной из сторон текущего состояния каналов выбираются наилучшие каналы, и по служебному каналу эта информация передается на станцию другой стороны, где и осуществляется передача на выбранных наилучших каналах.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является устройство, описанное в авторском свидетельстве СССР SU №1667265 А1 от 09.10.88 на «Систему радиосвязи с адаптацией по частоте», авторы Е.И. Клиот и Г.В. Коновалов, МКИ Н04В 7/165, оп. 30.07.91, Бюл. №28. Устройство содержит кодер, модуляторы, передатчики, блок настройки, приемники, аппаратуру передачи сигналов обратной связи, блок настройки, формирователь сигналов обратной связи, блоки когерентной обработки, блоки оценки качества каналов связи, коммутаторы, демодуляторы, декодер, полосовые фильтры, сумматоры. Устройство осуществляет поиск оптимальных частот для передачи с помощью оценки уровня передаваемых в режиме последовательного поиска испытательных частот. По каналу обратной связи информация о лучших частотах поступает на передатчик другой стороны и используется для управления переключением на нужные частоты. Передаваемая цифровая последовательность кодируется и на всех выбранных оптимальных частотах передается в линию.
Недостатком всех упомянутых устройств является недостаточная помехоустойчивость и качество передачи цифровых сигналов. Она заключается в часто наблюдающейся недостаточной декорреляции передаваемых разнесенных сигналов с использованием только частотного разнесения, а, как следствие, недостаточном устранении негативного влияния замираний сигналов. Кроме этого, она обусловлена тем, что недостаточно используются возможности кодирования в том, что по всем каналам передачи передаются одинаково кодированные сигналы.
Задачей данной полезной модели является повышение помехоустойчивости и качества передачи цифровых сигналов.
Поставленная задача решается тем, что в систему адаптивной радиосвязи, содержащей блоковый кодер, первый, второй, третий и четвертый коммутаторы, первый и второй модуляторы, первый и второй сумматоры, первый и второй передатчики, первый и второй приемники, первый и второй демодуляторы, блок оценки качества каналов и блоковый декодер, введены первый и второй сдвиговые регистры, генератор несущих частот, генератор маркеров, первый и второй блоки выделения управляющих сигналов, первый и второй блоки выделения маркеров и блок управления, причем вход системы соединен через первый сдвиговый регистр с информационным входом первого модулятора и через блоковый кодер - с информационным входом второго модулятора, выход первого модулятора соединен с одним из входов первого сумматора, а выход второго модулятора - с одним из входов второго сумматора, выходы генератора несущих частот первого частотного диапазона подключены ко входам первого коммутатора, а второго частотного диапазона -ко входам второго коммутатора, а их выходы, соответственно, к сигнальным входам первого и второго модуляторов, входы генератора маркеров подключены к выходам генератора несущих частот первого и второго частотных диапазонов, выходы генератора маркеров первого частотного диапазона подключены ко входам третьего коммутатора, а выходы генератора маркеров второго частотного диапазона - ко входам четвертого коммутатора, а их выходы подключены, соответственно, к другим входам первого и второго сумматоров, а их выходы - ко входам, соответственно, первого и второго передатчиков, выходы первого и второго приемников соединены со входами, соответственно, первого и второго блоков выделения управляющих сигналов и, соответственно, первого и второго демодуляторов, и через, соответственно, первый и второй блоки выделения маркеров - со входами блока оценки качества каналов, выход которого соединен со входом блока управления, один из выходов блока управления соединен с одним из входов первого сумматора, а другой - с одним из входов второго сумматора, выход первого демодулятора подключен к одному из входов блокового декодера, а выход второго демодулятора через второй сдвиговый регистр - к другому входу блокового декодера, а его выход - к выходу системы, выход первого блока выделения управляющих сигналов подключен к управляющим входам первого и третьего коммутаторов, а выход второго блока выделения управляющих сигналов - к управляющим входам второго и четвертого коммутаторов, выход первого передатчика подключен к первому высокочастотному выходу, а выход второго передатчика - ко второму высокочастотному выходу, вход первого приемника подключен к первому высокочастотному входу, а вход второго приемника подключен ко второму высокочастотному входу.
На фиг. 1 представлена структурная схема адаптивной системы радиосвязи с подключенной к ней приемно-передающей антенной. На структурной схеме обозначены: блоковый кодер 1; блоковый декодер 2; первый 3 и второй 4 сдвиговые регистры; генератор несущих частот 5; генератор маркеров 6; первый 7 и второй 8 модуляторы; первый 9, второй 10, третий 11 и четвертый 12 коммутаторы; первый 13 и второй 14 сумматоры; первый 15 и второй 16 передатчики; первый 17 и второй 18 приемники; первый 19 и второй 20 блоки выделения управляющего сигнала; первый 21 и второй 22 блоки выделения маркеров; блок оценки качества каналов 23; блок управления 24; первый 25 и второй 26 демодуляторы; первый высокочастотный выход 27; второй высокочастотный выход 28; первый высокочастотный вход 29; второй высокочастотный вход 30.
BX
Блоки устройства работают следующим образом. Входная последовательность цифровых символов S, которая передается с данной системы на противоположную аналогичную систему интервала связи, проходя через первый сдвиговый регистр 3, поступает на информационный вход первого модулятора 7. На его сигнальный вход поступает сигнал несущей с выхода первого коммутатора 9. В модуляторе 7 производится соответствующий вид цифровой модуляции. В первом сдвиговом регистре 3 осуществляется задержка символов последовательности по времени на длительность m символов. Для этого символы последовательно поступают на вход первой ячейки регистра и снимаются с выхода последней его ячейки. С поступлением каждого нового символа вся последовательность сдвигается от ячейки к ячейке в сторону последней. Количество ячеек равно m.
BX
Последовательность цифровых символов S также поступает на вход блокового кодера 1, где осуществляется ее блоковое кодирование. Для этого на основе каждой группы из последовательно идущих k символов вычисляется b проверочных символов. При этом параметры кодирования выбраны такими, чтобы выполнялось равенство k=b. Для осуществления кодирования требуется определенное количество тактов (интервалов следования символов) - m тактов, которое зависит от конкретной используемой аппаратуры. Поскольку в первом сдвиговом регистре 3 также происходит задержка на m тактов, то на вход второго модулятора 8 выработанная кодером проверочная последовательность символов начинает поступать одновременно с соответствующей ей и равной ей по длине информационной последовательностью символов, поступающей на первый модулятор 7.
Во втором модуляторе 8 производится модуляция несущей, подающейся на его сигнальный вход с выхода второго коммутатора 10, в соответствии с логической последовательностью проверочных символов с выхода блокового кодера 1. Промодулированные соответствующими цифровыми последовательностями, несущие колебания с выходов первого и второго модуляторов подаются на входы, соответственно, первого 13 и второго 14 сумматоров.
Для передачи сигналов с использованием двукратного частотного разнесения система связи располагает двумя разнесенными частотными диапазонами. В каждом из них она может излучать сигнал на одной из n несущих частот. Среди этих частот выбирается наилучшая, на которой текущий коэффициент передачи является максимальным.
1,1
1,n
2,1
2,n
Генератор несущих частот 5 вырабатывает n сигналов несущих частот f÷f в первом частотном диапазоне и n сигналов несущих частот f÷f во втором частотном диапазоне. Все сигналы несущих частот первого диапазона подаются на первый коммутатор 9, все сигналы второго диапазона подаются на второй коммутатор 10. Один из сигналов частот первого диапазона выбирается первым коммутатором 9 и подается на сигнальный вход первого модулятора 7, также и один из сигналов частот второго диапазона выбирается вторым коммутатором 10 и подается на сигнальный вход второго модулятора 8. Выбор номера несущей частоты первого коммутатора определяется управляющим сигналом с выхода первого блока выделения управляющего сигнала 19, также выбор номера несущей частоты второго коммутатора определяется управляющим сигналом с выхода второго блока выделения управляющего сигнала 20.
В каждом из двух диапазонов на всех остальных n-1 неиспользуемых в данный момент частотах излучаются маркеры. Они представляют собой немодулированные сигналы значительно меньшего уровня, чем сигнал, используемый в данный момент для передачи информации, причем их уровень одинаковый и составляет постоянную заранее известную долю от сигнала, передающего информацию. Для этого все сигналы генератора несущих частот 5 подаются на вход генератора маркеров 6, где их уровень приобретает необходимое значение, далее они подаются на ходы третьего 11 и четвертого 12 коммутаторов. Из совокупности подаваемых на их входы сигналов третий коммутатор 11 пропускает все сигналы, кроме сигнала той несущей частоты из первого диапазона, которая используется в данный момент для передачи информационной последовательности, а четвертый коммутатор 12 - сигнала той частоты из второго диапазона, которая используется для передачи проверочной последовательности.
Выходные сигналы третьего коммутатора 11 подаются на входы первого сумматора 13, а выходные сигналы четвертого коммутатора 12 подаются на входы второго сумматора 14. На входы первого и второго сумматоров также подаются выходные сигналы блока управления 24. В сумматорах все сигналы складываются и с помощью первого 15 и второго 16 передатчиков передаются на противоположную систему интервала связи.
3,1
3,n
4,1
4,n
Прием сигналов с противоположной системы интервала связи производится первым 17 и вторым 18 приемниками. Прием производится в двух других частотных диапазонах, не совпадающих с диапазонами передачи. В каждом них сигналы могут передаваться на одной из частот f÷f одного диапазона и на одной из частот f÷f другого диапазона. Сигналы одного и другого диапазонов демодулируются в первом 25 и втором 26 демодуляторах.
ВЫХ
Сигнал на рабочей в данный момент частоте одного диапазона с выхода первого демодулятора поступает блоковый декодер 2, этот сигнал содержит информационную последовательность символов, передаваемых с противоположной системы. Выходной сигнал второго демодулятора проходит через второй сдвиговый регистр, где задерживается на длительность k=b символов. После этого он поступает на другой вход блокового декодера 2. Таким образом, на входы блокового декодера последовательно поступают информационная и проверочная последовательности символов, которые обрабатывались и были получены в блоковом кодере противоположной системы, аналогичном блоковому кодеру 1 данной системы. В блоковом декодере последовательность раскодируется и его выходной сигнал S поступает на выход устройства.
3,1
3,n
4,1
4,n
Данная система также осуществляет управление работой противоположной системы двухсторонней линии, так же, как и противоположная система осуществляет управление работой данной системы. Для этого выходные сигналы первого 17 и второго 18 приемников поступают на первый 21 и второй 22 блоки выделения маркеров, представляющие собой наборы полосовых фильтров, в одном приемном диапазоне настроенных на частоты f÷f, в другом приемном диапазоне - на частоты f÷f.
3,1
3,n
4,1
4,n
В блоке оценки качества каналов 23 производится определение уровней сигналов всех маркеров и сигналов, используемых для передачи информационной и проверочной последовательности символов. Величины уровней поступают на блок управления 24, который вырабатывает два служебных управляющих сигнала, один из которых подается на первый сумматор 13 и в первом диапазоне излучается первым передатчиком 15. Он несет управляющую информацию о текущих коэффициентах передачи на всех частотах f÷f противоположной системы. Другой выходной сигнал блока управления 24 подается на второй сумматор 14 и во втором диапазоне излучается вторым передатчиком 16. Он несет управляющую информацию о текущих коэффициентах передачи на всех частотах f÷f.
3,1
3,n
4,1
4,n
Аналогичный блок управления противоположной системы определяет текущие коэффициенты передачи на частотах f÷f и f÷f и передает информацию об этом по обратному служебному каналу на данную систему. В ней эта информация выделяется в первом диапазоне первым блоком выделения управляющего сигнала 19 и во втором диапазоне - вторым блоком выделения управляющего сигнала 20. В них определяется номер частоты, на которой в данном диапазоне наблюдается наилучший коэффициент передачи.
С этих блоков управляющие сигналы подаются на первый 9, второй 10, третий 11 и четвертый 12 коммутаторы и управляют их переключением.
Выходной сигнал первого передатчика 15 подается на первый высокочастотный выход 27 описываемого устройства, а сигнал второго передатчика 16 подается на его второй высокочастотный выход 28.
Для осуществления дополнительно к частотному разнесению еще и углового разнесения в раскрыве соответствующей используемой приемопередающей антенны располагаются две группы облучателей. Каждая группа облучателей состоит из двух облучателей, один из них может принимать и излучать горизонтально-поляризованные сигналы, другой - вертикально поляризованные сигналы. Сигнал с первого высокочастотного выхода 27 устройства излучается смещенным вниз облучателем с горизонтальной поляризацией, а сигнал со второго высокочастотного выхода 28 устройства второго передатчика 16 - смещенным вверх облучателем с вертикальной поляризацией.
Первый приемник 17 получает сигналы с первого высокочастотного входа 29 устройства, второй приемник 18 получает сигналы со второго высокочастотного входа 30 устройства. На первый высокочастотный вход 29 подаются горизонтально поляризованные сигналы со смещенного вверх облучателя, а на второй высокочастотный вход 30 - вертикально поляризованные сигналы со смещенного вниз облучателя.
BX
Принцип работы адаптивной системы радиосвязи заключается в следующем. Входной сигнал S представляет собой последовательность логических символов, переносящих информацию, передаваемую с данной системы на противоположную систему данного интервала. Независимо от того, является ли эта последовательность уже закодированной, или нет, в системе применяется дополнительное кодирование. Если раньше по двум каналам разнесения передавались одинаковые копии сигналов, то в предлагаемой системе по одному каналу разнесения передается исходная информационная последовательность, а по другому каналу - проверочная последовательность, полученная из исходной с помощью метода блокового кодирования.
Как известно, (см., например, кн. Скляр, Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. - М.: Изд. дом «Вильяме», 2003. - 1099 с.) при декодировании последовательности символов, закодированной блоковым кодом, может быть исправлено общее число поврежденных символов, равное половине длины проверочной последовательности, если положение поврежденных символов в блоке неизвестно. Если же их положение известно, то может быть исправлено количество ошибок, равное длине проверочной части.
В предлагаемой системе сумма информационной части, передаваемой по одному каналу разнесения, и проверочной части, передаваемой по другому каналу разнесения, может считаться одним блоком, так как именно из них в приемнике противоположной системы составляется набор символов, подаваемый на блоковый декодер 2. Такая раздельная передача дополнительно закодированной последовательности позволяет существенно увеличить общую помехоустойчивость передачи. Помехоустойчивость определяется в общем случае воздействием трех факторов - влиянием аддитивных тепловых шумов приемника, воздействием помех от внешних источников излучения и замираниями уровня сигнала из-за нестационарности канала передачи и колебаний свойств среды распространения.
1
B
Воздействие шумов приводит к появлению случайных ошибок, независимых в разных каналах разнесения. При этом если количество ошибок в объединенном блоке (информационная часть + проверочная часть) превысит величину b, то декодер не будет декодировать последовательность, а пропустит ее на свой выход без изменений. Если же суммарное количество ошибочных символов не превысит величину b, то декодер все их исправит. При этом, согласно упомянутой книге Скляра Б., если P - вероятность ошибки одного символа до декодирования, то средняя вероятность ошибки P после декодирования с учетом исправляющих свойств блоковых кодов, будет равна:
1
B
Если значения k и b достаточно большие, то величина Р значительно меньше величины P. В отношении воздействия тепловых шумов применение предлагаемой системы адаптивной радиосвязи позволяет значительно повысить помехоустойчивость. Если при обычном при блоковом кодировании значение b существенно меньше, чем значение k то в данном случае они равны, что дает возможность повысить помехоустойчивость.
При воздействии замираний, когда уровень одного из сигналов значительно падает (что также вызывает значительный рост вероятности ошибки в передаваемых по нему символах), то, поскольку известно, в каком из каналов произошло замирание, значит и известно положение поврежденных символов в общем блоке. Следовательно, как указывалось выше, все они будут исправлены декодером.
Предлагаемая система обладает также значительно большей помехоустойчивостью в отношении негативного воздействия помех от внешних источников излучения. Действительно, если при передаче в «классическом» разнесении двух одинаковых копий по обоим каналам внешняя помеха значительного уровня подействует одновременно на оба канала, то информация во всех символах в интервале времени помехи будет безвозвратно утрачена. А в предлагаемой системе в случае, если длительность суммарная помехи, действующей на оба канала и поразившей часть символов блока, не превысит длительности его информационной (проверочной) части, то безвозвратно пропадет не более k/2+b/2=k=b символов, причем их положение будет известно. Следовательно, и в этом случае декодер исправит поврежденные символы. Таким образом, применение предлагаемой системы адаптивной радиосвязи позволяет повысить общую помехоустойчивость передачи информации.
Блоковое кодирование производится в блоковом кодере 1. В первом сдвиговом регистре 3 информационная часть задерживается по времени, чтобы излучение обеих частей, относящихся к одному блоку, производилось обоими передатчиками одновременно.
В каждом канале разнесения система может излучать сигналы на одной из n несущих частот. При этом в каждый текущий момент осуществляется адаптация системы, т.е. выбирается та из частот, на которой текущий коэффициент передачи выше. Для этого на всех частотах, кроме рабочей (используемой в данный момент для передачи информационной или проверочной частей) производится передача тестовых сигналов в виде несущих одинакового уровня, небольшого по сравнению с сигналом рабочей частоты. Поскольку их уровень невелик, то доля общей мощности передатчиков, используемой для их передачи, также невелика. В то же время, поскольку коэффициенты передачи на различных частотах диапазона изменяются сравнительно медленно, то в блоках выделения маркеров 21 и 22 путем накопления в достаточно узкополосных полосовых фильтрах возможно выделить их сравнительные уровни и по ним в блоке оценки качества каналов 23 определить сравнительные коэффициенты передачи во всех каналах.
Эти операции производятся постоянно и одновременно на данной и на противоположной системах интервала. Данная система оценивает коэффициенты передачи от противоположной до данной системы. Противоположная система оценивает коэффициенты передачи от данной системы до противоположной. На основе этого блок управления 24 данной системы указывает, на какой из n частот обоих диапазонов должны работать передатчики противоположной системы, аналогично, блок управления противоположной системы указывает, на какой из n частот каждого диапазона должны работать передатчики 15 и 16 данной системы. Таким образом, осуществляется адаптация параметров обоих систем под текущие свойства среды распространения.
После приема информационной и проверочной частей и демодуляции в демодуляторах 25 и 26 проверочная последовательность задерживается на суммарную длительность ее символов, чтобы при подаче на блоковый декодер 2 сформировать общий блок, состоящий из расположенных последовательно по времени информационной и проверочной частей.
В предлагаемой системе адаптивной радиосвязи дополнительно используется угловое и поляризационное разнесение сигналов. Это позволяет значительно снизить коррелированность замираний в обоих каналах, т.к. при наличии значительной коррелированности эффективность разнесения существенно снижется. Для этого сигнал одного из передатчиков излучается облучателем раскрыва зеркала антенны, смещенным по вертикали в одну сторону, а сигнал другого передатчика - другим облучателем, также смещенным по вертикали на такое же расстояние, но в другую сторону. При этом основные лепестки диаграмм направленности излучения обоих передатчиков оказываются направленным под небольшим определенным углом один относительно другого. Для передачи обоих сигналов используются разные области объема переизлучения, что обеспечивает дополнительную декорреляцию замираний. Для тех же целей служат и различающиеся направления поляризации сигналов обоих передатчиков. Все это позволяет также ослабить требования к практической реализации систем и располагать диапазоны частотного разнесения достаточно близко один к другому по частотной оси, что без использования дополнительных углового и поляризационного разнесения привело бы к значительной коррелированности замираний в обоих каналах.
При приеме сигналов также аналогично используются угловое и поляризационное разнесение и служат тем же целям.
Таким образом, использование системы адаптивной радиосвязи дает возможность управлять параметрами передачи, адаптируя их к изменяющимся условиям работы, тем самым в полной мере использовать технические ресурсы аппаратуры. Это позволяет повысить помехоустойчивость и качество передачи цифровых сигналов.