УСТРОЙСТВО СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОЙ РАДИОСВЯЗИ С ПОВЫШЕННОЙ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТЬЮ
APPARATUS FOR ULTRA-BROADBAND RADIO COMMUNICATION WITH HIGH NOISE-IMMUNITY

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к высокоскоростным системам радиосвязи (устройствам), использующим сверхкороткие импульсные (СКИ) сверхширокополосные (СШП) сигналы (СШПС), у которых рабочая полоса частот и средняя частота спектра сигнала сравнимы по величине. Системы связи (устройства) с применением сверхширокополосных сигналов описаны в ряде статей и патентов. Примерами могут служить пионерские разработки устройств СШП импульсной системы связи, защищенные патентами США: [US 4641317 Spread Spectrum Radio Transmission System. Larry W. Fullerton. 03.12.84; US 5677927 Ultra wide Band Communication System and Method. Larry W. Fullerton; Ivan A.Cowie. 14.10.1997; US 5687169 Full Duplex Ultra wide Band Communication System and Method. Larry W. Fullerton. 24.11.1997]. Эти системы импульсной радиосвязи для передачи информации используют одну или несколько импульсных поднесущих. В импульсном радиоприемнике используется кросс-коррелятор, осуществляющий свертку близких по форме входного сигнала с эталонным сигналом, состоящих из ста пятидесяти-двухсот импульсов, синхронизированных по времени с известным кодом передатчика. Выходное напряжение коррелятора интегрируется для восстановления сигнала из шума и помех. Однако при этом накладываются определенные ограничения на уровень искажения формы принимаемого сигнала, так как при распространении СШП сигнала форма его изменяется в зависимости от расстояния прием/передачи. Из-за широкой полосы частот и сверхкороткой длительности импульсов требования к точности синхронизации в этих системах необычайно высоки. В этих известных СШП системах сигналы синхронизации и автоподстройки связаны между собой и с основными информационными сигналами на одном энергетическом уровне, а так как спектральная плотность всех сигналов находится на уровне шумов, то система в значительной степени подвержена сбоям. Вхождение в синхронизм таких систем связи с СШП сигналами требует недопустимо большого времени, т.к. необходимо осуществлять перебор путем временного сдвига синхронизирующих импульсов с шагом, равным половине длительности СШП сигнала на всем периоде следования синхросигнала. Одним из направлений совершенствования СШП систем, предложенным в [US 2003/0067963 Al Mode Controller For Signal Acquisition And Tracking In Ultra Wide Band Communication System. Timothy R. Miller, Gerard P. Lynch, Deepak M. Joseph. 10.04.2003], является построение цифровых систем с обработкой входного сигнала путем считывания определенного числа выборок сигнала и шума, определения вероятностных характеристик уровней мощности сигнала и шума с последующей обработкой направленной на увеличение отношения сигнал/шум на входе исполнительного устройства, однако большого выигрыша с помощью такой обработки достигнуто не было и он реально составил 2-3 дБ. В патенте [US 2004/0156445 Al Ultra wide Band Communication System, Method, And Device With Low Noise Pulse Formation. John W. McCorkle. 12.08.2004] предложено формировать излучаемый СШП сигнал для уменьшения мощности паразитных излучений, за счет использования сигнала в виде бифазных вейвлетов, получаемого из исходной кодовой последовательности с помощью двухкаскадных дифференцирующих смесителей, что уменьшает излучение в полосе частот боковых лепестков спектра излучения. Сущностью данного изобретения является применение вейвлетов для формирования излучаемого СШП сигнала передатчиком и не связано с техническим решением применения вейвлет-фильтрации в настоящем заявляемом устройстве. Известны также высокоскоростные системы связи с СШП сигналами без несущей с использованием сверхбыстродействующего порогового обнаружения: [US 3662316 Shot Base Band Pulse Receiver. Kenneth W. Robbins 09.05.1972; US 3728632. Transmission and Reception System for Generation and Receiving Base Band Duration Pulse Communication System. Gerald F. Ross; 17.04.73; I.J.Immoreev, A.A.Sudakov, "Ultra-Wideband Interference Resistant System for Secure Radio Communication with High Data Rate", ICCSC02, St. Petersburg, Russian Federation, June 2002, pp.230-233; И.Я.Иммореев, A.A.Судаков, «Сверхширокополосная помехоустойчивая система скрытой связи с высокой скоростью передачи данных», Сборник докладов Всероссийской научной конференции. Муром, 1-3 июля 2003 г. - Муром: Изд. - полиграфический центр МИ ВлГУ, 2003 г., стр.435-440]. Для таких систем связи, использующих пороговое обнаружение, искажение формы импульсного сигнала при распространении и приеме не столь критично, как для систем, использующих кросс-корреляторы. Пороговое обнаружение СШП сигналов при всей относительной простоте позволяет реализовать более высокую скорость передачи информации. Для порогового обнаружения необходимо иметь достаточно большое отношение сигнал/шум (SNR) на входе порогового устройства. Если на вход приемного устройства поступает СШП импульсный сигнал, имеющий достаточную мощность, он проявляется в виде напряжения, превышающего пороговый уровень обнаружения. Однако этот сигнал не будет отражать истинную форму принимаемого сигнала до тех пор, пока полоса частот приемника не будет столь широкой, чтобы воспроизвести нарастание фронта импульса. Система работоспособна при большом отношении сигнал/шум.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является система связи: [Патент на изобретение №2354048 RU «Способ и система связи с быстрым вхождением в синхронизм сверхширокополосными сигналами», Кыштымов Г. А., Бондаренко В. В., Кыштымов А. Г., БИМП №12, 2009], взятая за прототип изобретения.
Известное устройство содержит общую, передающую и приемную части, причем общая часть содержит последовательно соединенные антенну, переключатель прием/передача, сверхширокополосный фильтр (СШПФ), подсоединенный к антенне, первый и второй полосовые фильтры (ПФ) и переключатель ПФ, выходы - входы которого соединены соответственно с входами/выходами полосовых фильтров, входы/выходы которых подсоединены к антенне; передающая часть содержит буферное устройство и генератор сверхширокополосных (СШП) импульсов, последовательно соединенные формирователь синхронизирующей и информационной последовательности (СИП), усилитель, выход которого соединен с первым входом переключателя ПФ, устройство задержки сигнала, включенное между выходом буферного устройства и входом генератора СШП импульсов, выход генератора СШП импульсов соединен с первым входом переключателя прием/передача, приемная часть содержит последовательно соединенные сверхширокополосный малошумящий усилитель (СШП МШУ), аттенюатор, делитель мощности, устройство временного окна канала сигнала, пороговое устройство канала сигнала и буферное устройство канала сигнала, выход которого соединен с первым входом блока обработки и управления, последовательно соединенные устройство временного окна канала шума, пороговое устройство канала шума и буферное устройство канала шума, выход которого соединен со вторым входом блока обработки и управления, при этом второй выход делителя мощности соединен с первым входом устройства временного окна канала шума, второй вход которого подсоединен ко второму выходу блока синхронизации, первый выход которого соединен со вторым входом устройства временного окна канала сигнала, кроме того, первый выход блока обработки и управления соединен шиной с входами формирователей пороговых напряжений канала сигнала и канала шума, с первым входом блока синхронизации, со вторыми входами аттенюатора и переключателя прием/передача, выход которого соединен с входом СШП МШУ, причем второй выход блока обработки и управления соединен с входом буферного устройства, выход генератора СШП импульсов соединен с первым входом переключателя прием/передача, выходы формирователей пороговых напряжений канала сигнала и канала шума соединены соответственно со вторыми входами пороговых устройств канала сигнала и канала шума, вход/выход блока обработки и управления является входом/выходом информации, последовательно соединенные малошумящий усилитель (МШУ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и вейвлет-фильтр, выход которого соединен с первым входом блока синхронизации, который является блоком синхронизации временных окон и выполнен со вторым входом для установки его в начальное состояние, причем вторые входы, АЦП, вейвлет-фильтра и переключателя ПФ, а также вход формирователя СИП соединены шиной с первым выходом блока обработки и управления, вход МШУ подсоединен к выходу переключателя ПФ, кроме того, выход вейвлет-фильтра соединен с входом блока синхронизации, выходы которого являются соответственно выходами видеоимпульсов, соответствующих коду «1», коду «0» и коду синхропосылки.
Недостатком устройства прототипа является низкая помехозащищенность приема СК СШП импульсов по сверхширокополосному каналу в условиях воздействия помех и потеря работоспособности устройства при соизмеримой мощности сигнала и шума на входе приемника.
Технический результат, на получение которого направлено изобретение, - увеличение помехозащищенности приема СК СШП импульсов по сверхширокополосному каналу в условиях воздействия помех при низких значениях отношения сигнал/шум минимум на 10-15 дБ.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве сверхширокополосной радиосвязи с повышенной помехозащищенностью, содержащем последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, вейвлет-фильтр синхронизирующего сигнала, блок синхронизации, устройство временного окна канала шума, пороговое устройство канала шума, буферное устройство канала шума и блок обработки и управления, последовательно соединенные буферное устройство, устройство задержки, генератор СШП импульсов, переключатель прием/передача, сверхширокополосный фильтр и антенну, последовательно соединенные устройство временного окна канала сигнала, пороговое устройство канала сигнала и буферное устройство канала сигнала, выход которого соединен со вторым входом блока обработки и управления, последовательно соединенные формирователь синхронизирующей импульсной последовательности, усилитель широкополосного синхронизирующего сигнала, переключатель и полосовой фильтр, выход которого соединен со входом антенны, а также аттенюатор, формирователь порогового напряжения канала сигнала, выход которого соединен со вторым входом порогового устройства канала сигнала, формирователь порогового напряжения канала шума, выход которого соединен со вторым входом порогового устройства канала шума, при этом первый выход блока обработки и управления соединен со входом буферного устройства, а второй общий выход соединен со вторыми входами переключателя прием/передача, аналого-цифрового преобразователя, вейвлет-фильтра синхронизирующего сигнала, блока синхронизации и входами аттенюатора, формирователя синхронизирующей импульсной последовательности, формирователя порогового напряжения канала сигнала и формирователя порогового напряжения канала шума, а второй выход блока синхронизации соединен со вторым входом устройства временного окна канала сигнала, дополнительно введен вейвлет-фильтр СШП сигнала, вход которого соединен с выходом аттенюатора, первый выход соединен со входом устройства временного окна канала сигнала, а второй выход соединен со входом устройства временного окна канала шума, вход сверхширокополосного малошумящего усилителя соединен с выходом переключателя прием/передача, а выход сверхширокополосного малошумящего усилителя - с первым входом аналого-цифрового преобразователя.
Сущность изобретения заключается в том, что в заявленном устройстве прием синхронизирующих ШП и СШП информационных СК импульсных сигналов осуществляется в общем, сверхширокополосном канале, что упрощает схему. Введение дополнительного второго вейвлет-фильтра СШП СК сигналов дает возможность увеличить помехозащищенность заявляемого устройства по СШП каналу минимум на 10-15 дБ при низких значениях отношения сигнал/шум за счет выделения сигнала на выходе вейвлет-фильтра в виде коэффициентов вейвлет-преобразования. В конечном счете это приводит к достижению заявленного технического результата.
Устройство сверхширокополосной радиосвязи с повышенной помехозащищенностью (Фигура) содержит: переключатель прием/передача (3), сверх широкополосный фильтр (СШПФ) (4), переключатель (23), полосовой фильтр (22), антенну (5), буферное устройство (1), устройство задержки (27), генератор СШП импульсов (2), формирователь синхронизирующей импульсной последовательности (19), усилитель широкополосного синхронизирующего сигнала (20), сверхширокополосный малошумящий усилитель (6), аналого-цифровой преобразователь (25), вейвлет-фильтр синхронизирующего сигнала (26), блок синхронизации (18), аттенюатор (7), вейвлет-фильтр СШП сигнала (28), устройство временного окна канала сигнала (9), пороговое устройство канала сигнала (10), буферное устройство канала сигнала (11), формирователь порогового напряжения канала сигнала (12), устройство временного окна канала шума (13), пороговое устройство канала шума (14), буферное устройство канала шума (15), формирователь порогового напряжения канала шума (16), блок обработки и управления (17).
Аналитическое представление частотно-временной фильтрации нестационарных сигналов, осуществляемое вейвлет-фильтром (28), можно интерпретировать как скалярное произведение анализируемого сигнала s(t) и базисной функции ψ(t).
<mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mi>В</mi><mi>П</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>a</mi><mo>,</mo><mi>b</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><munderover><mo>∫</mo><mrow><mo>−</mo><mi>∞</mi></mrow><mi>∞</mi></munderover><mi>s</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><msub><mi>ψ</mi><mrow><mi>a</mi><mo>,</mo><mi>b</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>,</mo><mtext>                                                            (1)</mtext></mrow>
a,b
где w(t)- материнский вейвлет, из которого с помощью сжатий (растяжений) и сдвигов формируют все семейство базисных функций декомпозиции:
<mrow><msub><mi>ψ</mi><mrow><mi>a</mi><mo>,</mo><mi>b</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msup><mi>a</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mi>ψ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>t</mi><mo>−</mo><mi>b</mi></mrow><mi>a</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>,                                                                 (2)</mtext></mrow>
где а - масштаб вейвлета (аналог центральной частоты выделяемого сигнала), b - величина сдвига вейвлета вдоль оси времени t.
Для реализации фильтров выбран комплексный вейвлета Морле - гармоника, модулированная функцией Гаусса:
<mrow><msub><mi>ψ</mi><mi>a</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>exp</mi><mfrac><mrow><mo>−</mo><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>2</mn></mfrac><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>a</mi><mi>x</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mtext>                                                                    (3)</mtext></mrow>
Цифровой вейвлет-фильтр (28) может быть реализован на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) Vertex II Pro XC2VP70 фирмы Xilinx (см., например, Малла С. Вейвлеты в обработке сигналов: Пер. с англ. - М.: Мир, 2005. - сс.276 - 303).
Устройство сверхширокополосной радиосвязи с повышенной помехозащищенностью работает следующим образом. В начале сеанса связи осуществляется калибровочный цикл определения уровня шума в канале приема и цикл установки собственных данных и данных абонента в приемнике и передатчике. Передатчик излучает в свободное пространство сложный сигнал, состоящий из импульсного сверхширокополосного сигнала для передачи информации и широкополосного ЧМн сигнала СИП, полоса частот которого расположена ниже границы рабочей полосы СШП сигнала. Сигнал, предназначенный для передачи, в виде закодированной последовательности импульсов служебного канала, а также иной аудио- и видеоинформации подается на ввод «Вх/Вых» блока обработки и управления (17). Блок обработки и управления (17) устанавливает по шине управления коды приема в блоке синхронизации (18) и коды передачи в формирователе СИП высокочастотного сигнала (19). После анализа помеховой обстановки аналогично прототипу устанавливаются коды порогового напряжения канала сигнала и канала шума, код переключателя 3 прием/передача и код переключателя (23) установлен в режим «передача». В режиме «передача» выход генератора (2) СШП импульсов подключается к СШПФ (4), выход усилителя (20) широкополосного сигнала подключается через переключатель (23) к полосовому фильтру (22), а сигнальный вход сверхширокополосного малошумящего усилителя (6), через переключатель (3) подключен к фильтру СШПФ (4). Код передачи соответствует адресу абонента, а код приема соответствует собственному адресу передающего устройства. После завершения калибровки пороговых устройств (10, 12) осуществляется поиск для вхождения в синхронизм абонентского приемника и передатчика. Для этого блок обработки и управления (17) выдает синхронизирующую последовательность СШП импульсов через буфер (1), задерживающее устройство (27) на вход СШП генератора (2), в которой содержится информация о коде абонента, коде запрашиваемого передатчика и коде временного расположения каждого фрагмента СИП. Каждая составляющая синхронизирующей последовательности СШП импульсов соответствует определенным образом отдельному фрагменту СИП последовательности служебного канала. Это позволяет, с одной стороны, по нескольким принятым составляющим синхронизирующей последовательности СШП сигнала определить начало и конец СИП последовательности, а с другой стороны, зная моменты смены частоты ЧМн сигнала синхронизировать временное окно приемника СШП сигнала, повышая тем самым его помехозащищенность. Усиленный ШП сигнал формирователя СИП высокочастотного сигнала (19) с выхода усилителя (20) через цепь, сформированную в режиме «передача», поступает в антенну (5) и излучается в эфир. Временные интервалы между видеоимпульсами СИП (то есть между моментами смены частот ЧМн синхросигнала) кратны периоду следования импульсов СШП сигнала, при этом они синхронизированы в эти моменты. Сформированный синхросигнал через буферное устройство (1) запускает генератор (2) СШП импульсов с задержкой τ и через сформированную в режиме «передача» цепь возбуждает антенну (5), которая излучает СШП сигнал в эфир совместно с ШПС. Процесс передачи синхросигнала повторяется еще один раз и затем в запрашивающем приемопередающем устройстве блок (17) обработки и управления коммутирует переключатель (3) прием/передача в состояние «прием», то есть антенна (5) и СШПФ (4) подключаются к входу сверхширокополосного малошумящего усилителя (24). В процессе приема передаваемого сигнала аналогичным абонентским устройством принятый антенной (5) и усиленный сверхширокополосным малошумящим усилителем (6) сложный сигнал, состоящий из ШПС синхронизации, СШП сигнала и помех, преобразуется в дискретный сигнал сверхбыстродействующим АЦП (25), поступает на вход ШП вейвлет-фильтра (26) и через аттенюатор (7) на вход СШП вейвлет-фильтра (28). В цепи синхронизации на выходе вейвлет-фильтра (26) выделяется короткий перепад напряжения, соответствующий фронту смены частоты ЧМн сигнала. Перепад напряжения осуществляют синхронизацию выходных стробов блока синхронизации (18), причем временные промежутки между выходными стробами кратны временным промежуткам выделенным синхронизирующим фронтам смены частот. Первый выход блока (18) синхронизации стробирует временное окно канала сигнала в соответствующие моменты прихода импульса СШП сигнала с выхода вейвлет-фильтра (28). При попадании принятого и усиленного импульса СШП сигнала во временное окно канала сигнала, пороговое устройство (10) канала сигнала срабатывает и пропускает сигнал через буферное устройство (11) канала сигнала на вход блока (17) обработки и управления. Отличие заявляемого устройства от прототипа заключается в использовании одного общего МШУ (6) и одного общего сверхширокополосного АЦП (25) для усиления и аналого-цифрового преобразования служебного ШП и информационного СК СШП сигнала. При поступлении сигнала с выхода вейвлет-фильтра (28) два канала приемного устройства осуществляют параллельный прием СК СШП сигнала. Один канал служит для оценки уровня сигнала, второй - для оценки уровня внешних шумов. Основу каждого канала составляют чувствительное пороговое устройство (10) канала сигнала и чувствительное пороговое устройство (14) канала шума. Прием в сигнальном и шумовом каналах осуществляется в соответствующих временных интервалах (временных окнах), обеспечиваемых устройствами (9) и (13) временных окон сигнала и шума соответственно. Прием сигнала в окне, длительность которого ненамного превышает длительность СК СШП импульса, позволяет дополнительно обеспечить повышенную помехозащищенность. С выхода вейвлет-фильтра (28) обработанный устройствами (9) и (13) временных окон сигнала и шума сигнал поступает на пороговое устройство (10) канала сигнала и пороговое устройство (14) канала шума. С выхода пороговых устройств (10) и (14) через соответствующие буферные элементы (11) и (15) сигналы поступают на входы блока (17) обработки и управления. Сигнальный процессор блока (17) обработки и управления анализирует уровень принимаемого сигнала и принимаемого шума, разрешает или запрещает работу схемы синхронизации и регулирует пороговое напряжение, подаваемое на обнаружитель в соответствие с заданным критерием обнаружения. В данной системе связи используется критерий идеального наблюдателя, при котором пороговое напряжение устанавливается равным половине максимального напряжения принимаемого импульса информативного сигнала. Для осуществления автоматической регулировки порогового напряжения производится оценка вероятности ошибки на бит принимаемого сигнала и в зависимости от результатов обработки осуществляется регулировка чувствительности приемника путем подстройки порогов в формирователях (12), (16) пороговых напряжений каналов сигнала и шума через шину управления. Регулировка динамического диапазона приемника производится с помощью аттенюатора (7). По результатам анализа осуществляется также управление работой блока (18) синхронизации. Как указывалось выше, перед началом работы осуществляется калибровка приемника по внешним шумам. Основные задачи калибровки - установка опорных напряжений подаваемых на пороговые устройства сигнального и шумового каналов. После анализа помеховой обстановки устанавливаются коды порогового напряжения для порогового устройства (10) и (14). Калибровка осуществляется после включения питания приемника и после потери сигнала в рабочем режиме.