ЦИФРОВОЙ МОДЕМ ИНФОРМАЦИОННОЙ РАДИОЛИНИИ ЦМ ИРЛ
DIGITAL MODEM FOR RADIO LINK

Изобретение относится к области приемо-передающих устройств радиосвязи и предназначено для применения в комплексах с БПЛА для передачи широкополосной информации с борта на базовую станцию (либо на другой борт).
Известно широкополосное приемо-передающее устройство, содержащее на передающей стороне кодер сверточного турбохода и модулятор, а на приемной стороне демодулятор и декодер сверточного турбокода (патент US №6484283 В2, опубликован 19.11.2002) [1]. Недостатками данного аналога являются низкая пропускная способность, худшая помехоустойчивость, а также отсутствие возможности адаптивно изменять параметры модема.
Известен когерентный приемник модулированных сигналов со смещением (OQPSK) многоканальной системы связи с кодовым разделением каналов (патент RU 2254679 С, H04B 1/10, H04J 13/02, опубликован 20.06.2005) содержащий фазовращатель на π/2, управляемый генератор, управляющие элементы, фильтр фазовой ошибки, преобразователи частоты, согласованные фильтры, аналого-цифровые преобразователи, квадратурные корреляторы, демодулятор, декодер, линии задержки, перемножители, фильтр ошибки по задержке, генератор опорных сигналов и управляемый тактовый генератор. По сравнению с этим аналогом, предлагаемое техническое решение охватывает не только приемную часть, но и передающую, использует более совершенный алгоритм помехоустойчивого кодирования, а также содержит адаптивную схему управления параметрами модема.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является интегрированная модемная система [1], состоящая из передающей и приемной частей. Передающая часть состоит из последовательно соединенных кодера сверточного турбокода (КСТК), на вход которого подаются данные для передачи, и модулятора (М), данные с выхода которого подаются на антенну. Приемная часть состоит из демодулятора (ДМ), на вход которого подается сигнал с выхода антенны и декодера сверточного турбокода (ДСТК).
Задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в дальнейшем повышении надежности приема и передачи сигналов, увеличение пропускной способности приемной и передающей аппаратуры, а также в адаптивном управлении параметрами модема с целью наиболее полного использования пропускной способности канала и эффективного энергопотребления.
При этом достигается технический результат, заключающийся в обеспечении возможности сохранения работоспособности и основных характеристик при наличии доплеровского смещения частоты сигнала в канале и нестабильностях частоты опорных генераторов, эффективном использовании текущей пропускной способности канала и снижении энергопотребления.
Технический результат достигается за счет того, что разработан цифровой модем информационной радиолинии, который условно можно разделить на передающую часть, включающую в себя LVDS буфер 1 (Б), на первый вход которого подаются данные для передачи, на второй - стробы, два первых выхода которого подключены к первым двум входам мультиплексора (М) 3, к следующим двум входам которого подключены выходы генератора тестовых последовательностей (ГТП) 2, вход которого соединен с первым выходом устройства управления (УУ) 26, 5 вход М соединен со вторым выходом (УУ), первый и второй выходы М соединены со входами памяти типа FIFO (FIFO) 4, выход которой соединен с первым входом кодера блочных турбокодов (КБТК) 7 и первым входом М 8, третий выход соединен со входом счетчика (СЧ) 5, выход которого соединен с комбинационной схемой (КС) 6, выход которой соединен со вторым входом КБТК, третий вход которого соединен с четвертым выходом УУ, а выход соединен со вторым входом М 8, третий вход которого соединен с пятым выходом устройства управления, а выход соединен с первым входом модулятора (МОД) 9, второй вход которого соединен с шестым выходом УУ, а первый и второй выход соединены с первым и вторым входом интерполятора (И) 10, третий вход которого соединен с шестым выходом УУ, а первый и второй выхода соединены с первым и вторым входами фильтра нижних частот (ФНЧ) 11, выходы которого соединены с первым и вторым входами М 13, третий вход которого соединен с седьмым выходом УУ, первый и второй выходы соединены со входами Б 13, сигналы с выходов которого подаются на ЦАП, а третий и четвертый выходы соединены с первыми двумя входами М 15, и приемную часть, включающую в себя Б 14, входы которого соединены с АЦП, а выходы соединены с третьим и четвертым входами М 15, пятый вход которого соединен с седьмым выходом УУ, а выходы соединены с ФНЧ 16, выходы которого соединены с первым и вторым входами децимирующего фильтра (ДФ) 17, третий вход которого соединен с шестым выходом УУ, а выходы соединены с первыми двумя входами демодулятора (ДЕМ) 18, третий вход которого соединен с шестым выходом УУ, а выход соединен с первым входом М 19, второй вход которого соединен с пятым выходом УУ, первый выход М 19 соединен со входом декодера блочных турбокодов (ДБТК) 20 и первым входом устройства оценки качества канала (УОКК) 21, а второй выход соединен со вторым входом М 22, первый вход которого соединен с выходом ДБТК, третий - с восьмым выходом УУ, а выход соединен с FIFO 24, выходы которой соединены со вторым и третьим входами Б 27, и СЧТ 23, выход которого соединен со вторым входом КС 25, первый вход которой соединен с девятым выходом УУ, а выход - с первым входом Б 27.
Отличительными признаками предлагаемого устройства являются введение в схему цифрового модема дополнительных элементов, а именно УУ, УОКК, шести М, И, ДФ, двух СЧТ, двух КС и соответствующих связей между ними, благодаря чему удается обеспечивать повышение энергетической эффективности за счет адаптивной подстройки скорости передачи, параметров помехоустойчивого кодирования и мощности передатчика под текущее состояние канала, а также выполнение требований по экологической безопасности при работе системы связи за счет снижения спектральной плотности мощности изучаемых сигналов при сохранении заданного качества связи, а также в замене элементов КСТК и ДСТК на КБТК и ДБТК, соответственно, что позволяет обеспечить большую пропускную способность и энергетическую эффективность, что соответствует критерию «новизна».
Поскольку совокупность введенных элементов и их связи до даты подачи заявки в патентной и научной литературе не обнаружены, то предлагаемое техническое решение соответствует «изобретательскому уровню».
Структурная схема устройства представлена на фигуре 1. Цифрами на фигуре 1 обозначены:
1, 13, 14, 27 - буферы для преобразования цифровых данных в LVDS сигнал (или наоборот) (Б);
2 - генератор тестовых последовательностей (ГТП);
3, 8, 12, 15, 19, 22 - мультиплексоры (М);
4, 24 - память типа FIFO (FIFO);
5, 23 - счетчики (СЧТ);
6, 25 - комбинационные схемы (КС);
7 - кодер блочных турбокодов (КБТК);
9 - модулятор OQPSK (МОД);
10 - интерполятор (И);
11, 16 - ФНЧ с характеристикой корень квадратный из приподнятого косинуса (Ф);
17 - децимирующий фильтр (ДФ);
18 - демодулятор OQPSK (ДЕМ);
20 - декодер блочных турбокодов (ДБТК);
21 - устройство оценки качества канала (УОКК);
26 - устройство управления (УУ);
Работа модема.
Порядок работы модема рассмотрим по структурной схеме, изображенной на фигуре 1. На вход модема в виде электрических сигналов в формате LVDS поступает поток данных и тактовых импульсов (1 и 2 входы 1 соответственно). В 1 выполняется их преобразование в цифровую форму. В зависимости от текущих настроек модема скорость данных может составлять от 4.6875 до 150 Мбит/с. Затем эти данные в цифровой форме подаются на мультиплексор (1, 2 входы 3), на входы 3, 4 которого подаются данные с генератора тестовых последовательностей 2. В зависимости от режима работы модема на выход мультиплексора подаются либо данные со входа модема, либо с ГТП. Затем данные помещаются в память типа FIFO, а стробирующие импульсы подаются на счетчик 5. К выходу счетчика подсоединена комбинационная схема, которая при достижении счетчиком определенного значения выдает сигнал начала блока на КБТК, а также на Б 1 для его вывода в формате LVDS. Данные с выхода памяти типа FIFO подаются на КБТК и на мультиплексор 8. КБТК осуществляет кодирование передаваемых данных блочным турбокодом на основе двух расширенных кодов БЧХ. Структурная схема КБТК приведена на фигуре 2. Он состоит из кодера расширенных кодов БЧХ (КБЧХ) 28, перемежителя (П) 29, кодера расширенных кодов БЧХ 30 и устройства управления кодером (УУК) 31. Данные со входа 1 подаются на КБЧХ 28, выход которого через перемежитель 29 соединен с КБЧХ 30. На вход УУК 31 подаются сигналы начала блока и управляющие сигналы УУ. В соответствии с этими сигналами УУК управляет режимом работы КБЧХ 28 и КБЧХ 30. В зависимости от состояния канала КБЧХ могут быть настроены либо на расширенный код БЧХ с параметрами N=64, K=57, либо на расширенный код БЧХ с параметрами N=64, K=51. В случае если модем работает в режиме со включенным помехоустойчивым кодированием, выход мультиплексора 8 коммутируется со входом, соединенным с выходом КБТК, в противном случае на выход подаются данные с FIFO 4. Затем поток данных поступает на модулятор OQPSK. В зависимости от режима работы модулятор формирует 2 потока квадратур, изменяющихся с определенной частотой и смещенных друг относительно друга. С выхода модулятора два потока квадратур поступают на интерполятор. Интерполятор необходим для того, чтобы при различных информационных скоростях выдавать данные на ЦАП с одинаковой частотой. Затем два потока квадратур поступают на ФНЧ с характеристикой корень квадратный из приподнятого косинуса. С выхода ФНЧ два потока фильтрованных квадратур подаются на мультиплексор. Далее в зависимости от режима работы модема данные подаются либо на LVDS буфер для их преобразования в формат LVDS и дальнейшей передачи на ЦАП, либо, если модем находится в режиме встроенного контроля, подаются на вход мультиплексора 15. На другие входы мультиплексора 15 подаются преобразованные LVDS буфером 14 данные с АЦП. Данные с АЦП поступают с частотой 300 МГц. В зависимости от режима работы модема либо данные с АЦП (два потока квадратур), либо данные с мультиплексора 12 подаются далее на ФНЧ с характеристикой типа корень квадратный из приподнятого косинуса. С его выхода данные поступают на децимирующий фильтр, необходимый для поддержания различных информационных скоростей. После ДФ два потока квадратур подаются на демодулятор OQPSK. Здесь осуществляется синхронизация по несущей и тактовая синхронизация. После установления синхронизации поток данных подается на мультиплексор 19. В зависимости от выбранного режима работы модема данные со входа мультиплексора коммутируются либо с ДБТК и УОКК либо подаются на вход мультиплексора 22. В ДБТК осуществляется установление кадровой синхронизации и декодирование помехоустойчивого кода. Структурная схема ДБТК приведена на фигуре 3. ДБТК состоит из FIFO 32, данные с выхода которой подаются на согласованный фильтр (СФ) 33 и на Soft Input Soft Output (SISO) декодер 34 цепочки из восьми SISO декодеров 34-41. Для установления кадровой синхронизации используются синхрослова длиной 80 бит перед каждым блоком из 4096 бит. СФ 33 настроен на это синхрослово и при его появлении выдает на устройство управления декодером (УУД) 42 сигнал об установлении кадровой синхронизации. Выходы последнего и предпоследнего SISO декодеров соединены со входом устройства принятия решений (УПР) 43. С его выхода декодированные данные подаются на выход ДБТК. Такая организация ДБТК позволяет добиться высокой пропускной способности (до 300 Мбит/с).
В качестве SISO декодера используется декодер, построенный на базе декодера Чейза. Это позволяет при приемлемых аппаратных затратах получить хорошую помехоустойчивость и высокую пропускную способность. Структурная схема SISO декодера приведена на фигуре 4. Он состоит из перемножителя 44, на один из входов которого подаются данные с первого входа SISO декодера, а на другой - данные из ПЗУ 45. Затем результат умножения подается на ограничитель 46, на другой вход которого подаются мягкие решения. Ограничитель необходим для предотвращения переполнения разрядной сетки. С его выхода данные подаются на декодер Чейза (ДЧ) 47, где осуществляется их мягкое декодирование. На второй вход ДЧ подается командная информация, зависящая от режима работы модема. ДЧ может работать с расширенными кодами БЧХ с параметрами N=64, K=57 и с расширенными кодами БЧХ с параметрами N=64, K=51. С выхода ДЧ декодированные данные через ограничитель 48 подаются на перемежитель 49 и далее на выход SISO декодера. Также через перемежитель 50 на выход SISO декодера подаются данные с FIFO 51.
Данные после декодирования подаются на вход мультиплексора 22 и на УОКК. УОКК сравнивает данные с выхода ДБТК с задержанными данными со входа ДБТК и по количеству различий формирует оценку качества канала, которая затем передается в УУ. С выхода мультиплексора 22 данные подаются в FIFO 24, а на СЧТ 23 подаются стробирующие сигналы. Выходы СЧТ 23 соединены с КС 25, которая при достижении СЧТ некоторого значения (в зависимости от режима работы модема) формирует сигнал начала нового блока данных. Данные, стробирующие сигналы и сигнал начала нового блока данных подаются на LVDS буфер 27 и после преобразования выводятся в формате LVDS.
УУ на основании данных о качестве канала, а также командной информации, поступающей через интерфейс SPI, управляет основными параметрами модема. Структурная схема УУ приведена на фигуре 5. Оно состоит из интерфейсного устройства (ИУ) 52, реализующего интерфейс SPI. По интерфейсу SPI осуществляется обмен командной информацией между ЦМ и внешними устройствами. ИУ соединено с адресным декодером (АД) 53 и набором регистров (HP) 54. При поступлении от внешних устройств командной информации ИУ с помощью АД выбирает необходимый регистр из HP 54 и записывает туда информацию. Также ИУ соединено с HP 55, содержащим информацию о текущем состоянии цифрового модема. По запросу от внешних устройств эта информация может быть выведена через интерфейс SPI. Также в состав УУ входит устройство управления цифровым модемом (УУЦМ) 56. УУЦМ из HP 54 считывает команды, поступившие от внешних устройств, а в HP 55 записывает информацию о текущем состоянии модема. В зависимости от полученных внешних команд, а также поступающей в УУЦМ информации о качестве канала УУЦМ управляет работой остальных устройств цифрового модема.
Для управления режимом работы радиолинии в ЦМ через интерфейс SPI передаются команды управления: "Вкл кодек", "ВК1", "ВК2", «ГТ», "Бл обнар", "Вкл КИ".
Вкл кодек. Вкл/выкл помехоустойчивое кодирование:
1 - ЦМ включает помехоустойчивое кодирование;
0 - ЦМ выключает помехоустойчивое кодирование.
ВК1 = 1. Режим встроенного контроля 1 (промежуточная петля). Аналоговая часть радиомодема замыкает сигнал с выходного усилителя на вход приемника.
ВК2 = 1. Режим встроенного контроля 2 (локальная петля). ЦМ подает выходную последовательность на вход.
ВК1 = 0 & ВК2 = 0. Режим встроенного контроля выключен (режим «работа»).
ГТ. Включение генерации тестового сигнала. Команда может подаваться как в рабочем, так и в тестовых режимах. При ГТ=1 ЦМ формирует и передает непрерывную тестовую последовательность и считает число ошибок в сигнале, поступающем на вход ЦМ.
1 - включение генератора тестового сигнала и подсчет числа ошибок,
0 - выключение генератора тестового сигнала.
Бл обнар. Вкл/выкл блокировку обнаружения (технологическая команда для измерения времени обнаружения сигнала от момента выключения блокировки обнаружения до появления сигнала Обнаружение):
1 - ЦМ постоянно находится в режиме поиска;
0 - ЦМ выходит из поиска при захвате сигнала.
КИ - режим модуляции. Переключение режима модуляции информационным либо тестовым сигналом (используется для технологических работ при отладке аппаратуры):
1 - модуляция информационным сигналом,
0 - модуляция сигналом с постоянными компонентами I и Q (все биты информационных потоков квадратурных составляющих сигнала установлены в 1).
Цифровой модем информационной радиолинии обеспечивает скорость передачи информации от 4,6875 Мбит/с до 150 Мбит/с. Ширина одностороннего спектра выходного сигнала при скорости передачи информации 75 Мбит/с и относительной скорости помехоустойчивого кода R=1/2 удовлетворяет следующим требованиям:
- рабочая полоса по уровню минус 3 дБ:
50 МГц
- по уровню минус 30 дБ
≤70 МГц
- по уровню минус 40 дБ
≤130МГц
- по уровню минус 50 дБ
≤230 МГц
Применяемая схема помехоустойчивого кодирования обеспечивает энергетический выигрыш более 8 дБ. При этом в ЦМ ИРЛ предусмотрена функция отключения помехоустойчивого кодирования по внешней команде. ЦМ ИРЛ сохраняет работоспособность и основные характеристики при наличии доплеровского смещения частоты сигнала в канале в пределах от минус 47 кГц до +47 кГц. Время вхождения в связь не более 0.5 секунды. Обмен широкополосной информацией с аппаратурой радиолинии проводится по интерфейсу LVDS.
При том что здесь был описан предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения, является очевидным, что такой вариант осуществления изобретения приведен только в качестве примера. Специалисты данной области техники могут использовать многочисленные разновидности, изменения и замены, что не выходит за рамки изобретения