УСТРОЙСТВО ПРИЕМА ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ В МНОГОЛУЧЕВОМ КАНАЛЕ СВЯЗИ Российский патент 1995 года по МПК H04B7/02 H04L17/02 

Изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано для приема дискретной информации, передаваемой фазоманипулированными сигналами по каналам с многолучевым распространением.

Известно устройство для передачи дискретных сигналов в многолучевом канале связи, содержащее в передающей части модулятор с блоком введения испытательного импульса, в приемной части блок компенсации межсимвольных искажений, выход которого подключен к входу демодулятора, блок измерения реакции канала на испытательный импульс, вход которого соединен с входом блока компенсации межсимвольных искажений, а первый и второй выходы подключены соответственно через блок формирования предыскажений к входу управления блока компенсации межсимвольных искажений и через блок формирования опорного сигнала к входу управления демодулятора, выход которого подключен к входу управления блока формирования предыскажений.

Недостаток данного устройства заключается в неправильной компенсации межсимвольной помехи из-за ошибок в приеме сигналов, вызванных как помехами посторонних радиостанций, так и замираниями сигнала, что может привести к ошибочному приему следующего сигнала.

Известен метод разделения и последующего сложения сигналов, пришедших по различным путям распространения, на основе использования широкополосного сигнала, реализованный в коротковолновой системе Рейк. Для осуществления оптимального некогерентного приема приемное устройство содержит два генератора местных сигналов, воспроизводящих передаваемые сигналы z₁(t) и z₂(t), но со сдвигом частот всех составляющих на некоторую частоту Δ₁.

В устройстве, реализующем этот метод, можно получить на ряде перемножителей раздельный эффект от приходящих лучей. Но, с другой стороны, большая часть перемножителей не удовлетворяет условию синхронизма (запаздывание лучей относительно друг друга не больше чем на 1/F) и на них выделяются напряжения, создаваемые только помехами, которые будут также участвовать в сложении, снижая верность приема. Это обстоятельство, а также сложность реализации данного устройства и необходимость использования широкополосного сигнала являются недостатками системы Рэйк.

Известно устройство для передачи дискретных сигналов в многолучевом канале связи, в котором совокупность блоков компенсации межсимвольных искажений, измерения реакции канала на испытательный импульс, формирования предыскажений, формирования опорного сигнала и демодулятора образуют тракт обработки сигнала первого луча. Кроме того, устройство содержит блок обратной передачи сигналов и блок управления длительностью информационных сигналов. Устройство обеспечивает подавление сигналов всех лучей распространения, кроме первого, а в тех случаях, когда это невозможно, вырабатывает команды на снижение скорости манипуляции в канале. Основным недостатком этого устройства является низкая помехоустойчивость вследствие того, что сигналы других лучей распространения, несущих информацию о том же переданном символе, что и в первом луче, не используются для принятия решения о значении этого символа.

Наиболее близким по своему назначению и технической сущности к предложенному устройству является устройство для совместного приема различающихся по времени прихода сигналов, реализующее способ экстракции сигналов, т.е. выделение из суммарного колебания на входе сигналов определенного класса, задержку их относительно друг друга и последующее последетекторное сложение. Однако это устройство отвечает своему назначению только в условиях априорной известности времени задержки между сигналами за счет распространения (отражения от различных слоев ионосферы) и постоянства этой задержки на всем интервале передачи информации.

Недостатком этого устройства является низкая помехоустойчивость в условиях случайного изменения времени задержки между лучами сигнала, характерного для большинства реальных радиоканалов (в частности, декаметровых).

Время запаздывания между лучами сигнала определяется совокупностью различных факторов, в частности направлением радиотрассы (меридианальное или широтное), географическим положением трассы (экваториальная, полярная и т.п. ), высотами отражающих слоев, выбором номинала рабочей частоты, времени года, суток и т. д. Большинство этих факторов в различных условиях носят случайный характер. В качестве наглядного примера можно указать радиолинии связи между различными подвижными объектами с принудительно сменяемыми по псевдослучайному закону рабочими частотами.

В этих условиях устройство-прототип не обеспечивает эффективного сложения разделенных сигналов, и его помехоустойчивость не может превысить помехоустойчивость однотрактового демодулятора с обратной связью по решению.

Целью изобретения является повышение помехоустойчивости приема дискретной информации при многолучевом распространении.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство, содержащее N трактов выделения и обработки сигнала одиночного луча, N линий задержки с L отводами, N регулируемых усилителей, N-1 вычитателей, а также сумматор и пороговый элемент, причем каждый из N трактов выделения и обработки сигнала содержит последовательно соединенные первый перемножитель, узкополосный фильтр и второй перемножитель, а также фазовый детектор, первый вход которого, объединенный с первым входом первого перемножителя, является входом тракта, второй вход фазового детектора соединен с выходом узкополосного фильтра, а выход подключен к вторым входам обоих перемножителей, N-1 вычитателей соединены последовательно, причем первый вход первого вычитателя, объединенный с входом первого тракта является первым входом устройства, второй вход которого из вычитателей подключен к выходу второго перемножителя соответствующего тракта, а выход каждого из вычитателей дополнительно подключен к входу следующего тракта, выход фазового детектора каждого из трактов выделения и обработки сигнала дополнительно подключен к входу соответствующей линии задержки, выход первой из которых через первый регулируемый усилитель подключен к одному из входов сумматора, к другим входам которого подключены выходы других N-1 регулируемых усилителей, вход сумматора соединен с входом порогового элемента, выход которого является выходом устройства, дополнительно введены блок вычисления весовых коэффициентов и блок компенсации задержек лучей, причем первый вход блока компенсации является вторым входом устройства, другие (N-1)xL входов подключены соответственно к выходам N-1 линий задержки, а N-1 выходов блока компенсации соединены с входами соответствующих N-1 регулируемых усилителей, выходы узкополосных фильтров каждого из трактов выделения и обработки сигнала дополнительно подключены к соответствующим входам блока вычисления весовых коэффициентов, выходы которых соединены с управляющими входами соответствующих регулируемых усилителей.

Введение в устройство дополнительных блоков позволяет определять количество лучей сигнала и временных интервалов между ними по реакции радиоканала на испытательный импульс и осуществлять операцию автоматического приведения различающихся по времени прихода сигнала к единому моменту времени с целью последующего весового сложения их с весами, вырабатываемыми по заданному правилу, что повышает помехоустойчивость приема информации.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства.

Оно содержит N трактов (по ожидаемому числу лучей сигнала) выделения и обработки сигнала одиночного луча 1, каждый из которых состоит из последовательно включенных первого перемножителя 2, узкополосного фильтра 3 и второго перемножителя 4, а также фазовый детектор 5, первый вход которого соединен с первым входом перемножителя 2 и является входом тракта 1, к второму входу детектора 5 подключен выход фильтра 3, а выход детектора 5 подключен к вторым входам перемножителей 2 и 4.

Кроме того, устройство содержит N L-отводных линий задержки 6, N регулируемых усилителей 7, N-1 вычитателей 8, блок компенсации задержек лучей 9, блок вычисления весовых коэффициентов 10, сумматор 11 и пороговый элемент 12.

Вход первого тракта 1, являющийся одновременно первым входом устройства, объединен с первым входом первого из N-1 соединенных последовательно вычитателей 8, к второму входу каждого из которых подключен выход второго перемножителя 4 соответствующего тракта (в последнем тракте этот выход не используется), а выход каждого вычитателя дополнительно подключен к входу следующего тракта 1.

Каждый тракт 1 имеет три выхода информационный выход (фазового детектора), подключенный к входу соответствующей линии задержки 6, несущей частоты сигнала (выход узкополосного фильтра 3, подключенный к соответствующему входу блока вычисления весовых коэффициентов 10, и выход оценки высокочастотного фазоманипулированного сигнала (второго перемножителя 4), подключенный к второму входу соответствующего вычитателя 8. Выход первой линии задержки (последний отвод) 6₁ через управляемый усилитель 7 подключен к одному из входов сумматора 11, к другим входам которого подключены выходы остальных N-1 регулируемых усилителей 7. Выходы блока 10 соединены с управляющими входами соответствующих усилителей 7 (выходами регулировки усиления).

Первый вход блока компенсации задержек лучей 9 является вторым входом устройства, другие (N-1) х L входов блока 9 соединены с L выходами других N-1 линий задержки, а N-1 выходов блока 9 с информационными входами соответствующих N-1 регулируемых усилителей 7. Выход сумматора 11 через пороговый элемент 12 подключен к выходу устройства.

Устройство работает следующим образом.

Входной фазоманипулированный сигнал, представляющий собой аддитивную зашумленную смесь Z(t) U₁S(t) + U₂S(t τ₁) +. + U_nS(t τ_n-1) + n(t) одинаковых по закону манипуляции сигналов, различающихся временем прихода (t τ_i) и амплитудами U_i, поступает одновременно на вход тракта выделения и обработки сигнала одиночного луча 1₁ и на первый вход первого вычитателя 8₁. Тракт 1 представляет собой комбинацию экстрактор-детектор и осуществляет операции выделения из принимаемого колебания Z(t) оценки информационной составляющей полезного сигнала (огибающей сигнала) (t) и одновременной регенерации оценки высокочастотного фазоманипулированного сигнала (t) путем обратного перемножения в перемножителе 4 огибающей (t) и несущей частоты U_iexp(-i ω_o t), получаемой с выхода узкополосного фильтра 3 и являющейся опорным колебанием для фазового детектора. В связи с тем, что полоса пропускания фильтра 3 выбирается намного меньше энергетического спектра сигнала (порядка нескольких десятков Гц), напряжение на его выходе можно считать практически очищенным от помех (шумов) и использовать при вычислении весовых коэффициентов при сложении.

Оценка высокочастотного сигнала, соответствующая принимаемому сигналу первого луча тем больше, чем меньше вероятность ошибки, с выхода перемножителя 4₁ поступает на второй вход вычитателя 8₁, на выходе которого образуется сигнал, соответствующий разности входного сигнала и оценки сигнала первого луча, т.е.

Z₁(t) Z(t)- U(t)≈ U₂S(t-τ₁)+ U₃S(t-)++U_nS(t-τ_n-1)+ n(t) Этот сигнал поступает на входы вторых тракта 1₂ и вычитателя 8₂, на выходе которого образуется сигнал
Z₂(t) ≈ U₃ S(t- τ₂) + U₄S(t -τ₃) +.+ U_nS(t τ_n-1) + n(t), поступающий на входы следующих вычитателей 8₃ и тракта 1₃, и т.д. Таким образом, указанное на фиг. 1 включение вычитателей 8 и трактов 1 позволяет отделить друг от друга и раздельно детектировать сигналы всех пришедших лучей.

Для эффективного сложения этих раздельных сигналов необходимо привести их к единому моменту времени и выработать весовые коэффициенты сложения, определяющие степень доверия тому или иному сигналу. Эти задачи решаются независимо во вновь введенных в устройство блоках 9 и 10, соответственно. При этом на вход блока 9 компенсации задержек лучей, являющийся вторым входом устройства, должны подаваться импульсы, соответствующие времени задержки между лучами. Эти импульсы могут быть выработаны в результате сопоставления разделенных сигналов лучей или, например, по результатам приема испытательных импульсов с выхода соответствующего демодулятора. Предпочтительным следует признать второй вариант вследствие простоты реализации, хотя это и приведет к некоторой потере в пропускной способности. Однако, учитывая, что интервал стационарности условий распространения составляет величину порядка от нескольких минут (в переходные периоды) до нескольких десятков минут (днем и ночью), и достаточно высокие используемые скорости манипуляции, это снижение пропускной способности оказывается незначительным. При рассмотрении принципа работы предложенного устройства будем исходить из предположения, что на втором входе устройства время от времени появляются импульсы, количество которых соответствует количеству лучей сигнала, а интервалы между ними задержкам между сигналами различных лучей. Эти импульсы поступают на вход блока компенсации задержек лучей 9, структурная схема которого представлена на фиг. 2.

Блок 9 содержит счетчик 18 на N с дешифратором 19 и генератор импульсов 22, а также N-1 параллельных ветвей, каждая из которых содержит последовательно соединенные триггер 20, схему совпадения 21, коммутатор 23 и ключ 24, причем первый выход дешифратора 19 объединен с входами установки коммутаторов 23 в начальное состояние и первым входом триггеров 20, а другие выходы дешифратора 19 подключены к вторым входам соответствующих триггеров 20 и ключей 24, выход генератора импульсов 22 подключен к вторым входам схем совпадения 21, а L входов каждого коммутатора 23 являются другими входами блока.

Входные импульсы, соответствующие количеству лучей сигнала (см. фиг. 3, диаграмма а), поступают на вход счетчика 18, определяющего их количество и подключающего через дешифратор 19 и ключи 24 к схеме сложения (входам усилителей 7₂. 7_N) соответствующее количество лучей.

После прихода первого импульса триггеры 20 устанавливаются в единичное состояние, открывая по одному из входов схемы совпадения 21. Одновременно коммутаторы 23 устанавливаются в начальное состояние, при котором к выходу коммутатора оказывается подключенным последний отвод каждой линии задержки 6 (времени задержки максимально). В то же время через схемы совпадения 21 на первый (управляющий) вход коммутатора 23 начинают поступать импульсы от генератора 22, частота которых устанавливается соответствующей дискрету линии задержки 6 (времени задержки между соседними отводами). При этом коммутаторы 23 с каждым пришедшим на их входы импульсом сдвигаются на один шаг, уменьшая время задержки. В то же время ключи 24 закрыты и на выходах блока сигналы отсутствуют.

При приходе второго импульса триггер 20₁ первой ветви возвращается в исходное состояние, запрещая прохождение импульсов на вход коммутатора (смотри диаграммы а, б, е), а ключ 24₁ открывается, разрешая прохождение задержанного сигнала к схеме сложения; коммутатор 23₁ остается подключенным к соответствующему отводу линии задержки 6₂. Таким образом компенсируется задержка между первым и вторым лучами. Остановимся более подробно на этом моменте. В месте приема априорно практически всегда неизвестны конкретные параметры многолучевости, т. е. ни количество отраженных лучей, ни время их прихода. В то же время известно максимальное время задержки, составляющее величину, не превышающую величину τ_max (например, при низкочастотной части декаметрового диапазона τ_max ≅ 4 мс). Сигнал первого луча задерживается на эту величину, а сигналы других лучей на величину, соответствующую разнице между τ_max и задержкой данного луча, т.е. к задержкам сигнала, появляющимся вследствие распространения, добавляются задержки при приеме тем меньшие, чем позднее пришел сигнал в i-м луче, таким образом, чтобы суммарная задержка всех сигналов была одинаковой (диаграммы с, ж, з фиг. 3) с целью обеспечения одновременности прихода сигналов всех лучей на входы сумматора. Таким образом, к моменту прихода очередной после испытательного импульса порции информации эти задержки оказываются включенными на все время ее приема (диаграммы и, к, л). Точность сведения сигналов к единому моменту времени (диаграммы м, н, о) определяется частостью передачи зондирующего импульса и величиной дискрета линии задержки; последняя не должна быть в худшем случае больше длительности посылки. С достаточной для практики точностью сведения длительность дискрета линии задержки (т.е. время задержки в одной ячейке линии между соседними отводами) должна составлять 2-5% от длительности посылки сигнала.

Таким образом, к моменту окончания максимального времени задержки к каждому выходу блока 9 оказывается подключенным с помощью ключей 24 требуемый выход каждой из N-1 линий задержки (диаграммы м, н, о).

В связи с тем, что коэффициенты передачи радиоканала в лучах распространения различны, сигналы этих лучей должны складываться с различными весами. Известно, что значения этих коэффициентов К_i ε(U_i Δ i), где Δ i модуль максимальной межсимвольной помехи. При этом ε(х) х при х > 0 и ε (х) 0 при х 0. Указанные операции выполняются в блоке 10 весовых коэффициентов (см. фиг. 4), состоящем из N параллельных ветвей, каждая из которых включает в себя последовательно соединенные вычислитель модуля 13, вычитатель 14, пороговый элемент 15 и ключ 16, а также схему выбора максимального напряжения 17, причем входы вычислителя модуля 13 являются входами блока 10, выход вычитателя 14 каждой из ветвей дополнительно подключен к второму входу соответствующего ключа 16, а второй вход вычитателя 14 каждой из ветвей соединен с выходом схемы выбора максимального напряжения данной ветви, N-1 входов которой соединены с выходами N-1 вычислителей модуля 13 других трактов, а выходы ключей являются входами блока 10.

Блок 10 работает следующим образом.

На N его входов поступают напряжения с выходов узкополосных фильтров 3 каждого из трактов 1, амплитуда которых пропорциональна уровню сигнала в соответствующем луче. Эти напряжения в вычислителях модуля преобразуются в однополярные и подаются на входы соответствующих вычитателей и схем выбора максимального напряжения. Включение последней обосновано тем обстоятельством, что в данный момент времени на первом входе устройства присутствуют сигналы всех N лучей, из которых N-1 для каждого тракта выделения и обработки сигнала являются помехой. Таким образом, схема 17 определяет величину Δ i для соответствующей ветви, которая вычитается в вычитателе 14 из напряжения оценки сигнала этой ветви. Результат вычитания сравнивается в пороговом элементе 15 с нулевым порогом, и в случае превышения его поступает на выход блока 10 через открытый ключ 16. Если разностное напряжение оказывается меньше нуля, пороговый элемент 15 не срабатывает и соответствующий ключ 16 оказывается закрытым.

Напряжения с выходов открытых ключей 16 поступают на управляющие входы соответствующих регулируемых усилителей 7, с выходов которых на входы сумматора 11 поступают сигналы с выходов фазовых детекторов всех трактов 1 с учетом весовых коэффициентов. В сумматоре 11 осуществляется сложение информационных составляющих сигналов всех трактов, после чего суммарный сигнал преобразуется в информационные посылки постоянного тока в пороговом элементе 12.

Таким образом, положительным эффектом от использования изобретения по сравнению с известным устройством является повышение помехоустойчивости приема информации за счет разделения лучей сигнала и сложения сигналов отдельных лучей.

Использование: в радиосвязи для приема дискретной информации, передаваемой фазоманипулированными сигналами по радиоканалам с многолучевым распространением. Сущность изобретения: введение в устройство приема дискретных сигналов в многолучевом канале связи блоков компенсации задержек лучей и вычисления весовых коэффициентов позволяет определить по реакции канала на испытательный импульс количество лучей сигнала, задержку между ними, скомпенсировать ее, приведя сигналы всех лучей к единому времени, и осуществить их весовое сложение, повышает помехоустойчивость приема за счет разделения сигналов лучей, независимой их демодуляции и сложения. 2 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. УСТРОЙСТВО ПРИЕМА ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ В МНОГОЛУЧЕВОМ КАНАЛЕ СВЯЗИ, содержащее N трактов выделения и обработки сигнала одиночного луча канала связи, N линий задержки с отводами, N регулируемых усилителей, N-1 вычитателей, а также сумматор и пороговый блок, причем каждый из N трактов выделения и обработки сигнала одиночного луча канала связи содержит последовательно соединенные первый перемножитель, узкополосный фильтр и второй перемножитель, а также фазовый детектор, первый вход которого, объединенный с первым входом первого перемножителя, является входом тракта, второй вход соединен с выходом узкополосного фильтра, а выход подключен к вторым входам обоих перемножителей, N-1 вычитатели соединены последовательно, причем первый вход первого вычитателя соединен с входом первого тракта выделения и обработки сигнала одиночного луча канала связи и является первым входом устройства, второй вход каждого из вычитателей подключен к выходу второго перемножителя соответствующего тракта выделения и обработки сигнала одиночного луча канала связи, а выход каждого из вычитателей также подключен к входу следующего тракта, выходы фазовых детекторов являются выходами тракта выделения и обработки сигнала одиночного луча канала связи и подключены к входам соответствующих линий задержки, выход первой линии задержки через первый регулируемый усилитель подключен к одному из входов сумматоров, к другим входам которых подключены соответственно выходы остальных регулируемых усилителей, выход сумматора соединен с входом порогового блока, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что введены блок компенсации задержек лучей и блок вычисления весовых коэффициентов, причем первый вход блока компенсации задержек лучей является вторым входом устройства, остальные входы подключены соответственно к выходам линий задержки с отводами, кроме первой, выходы блока компенсации задержек лучей соединены с входами соответствующих регулируемых усилителей, кроме первого, выходы узкополосных фильтров являются вторым входом тракта выделения и обработки сигнала одиночного луча канала связи и подключены к соответствующим входам блока вычисления весовых коэффициентов, выходы которого соединены с управляющими входами соответствующих регулируемых усилителей. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок компенсации задержек лучей содержит счетчик, дешифратор, генератор импульсов и N-1 параллельных ветвей, каждая из которых состоит из последовательно соединенных триггера, блока совпадения, коммутатора и ключа, причем вход счетчика является первым входом блока компенсации задержек лучей, выходы счетчика соединены с соответствующими входами дешифратора, первый выход которого объединен с первыми входами триггера и входами установки в начальное состояние коммутаторов всех ветвей, второй вход каждого из триггеров соединен с соответствующим выходом дешифратора и подключен к управляющему входу ключа соответствующей ветви, выход генератора импульсов соединен с вторыми входами блоков совпадения, остальные входы коммутаторов являются соответствующими входами блока компенсации задержек лучей, выходами которого являются выходы ключей. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок вычисления весовых коэффициентов состоит из N ветвей, каждая из которых включает в себя последовательно соединенные вычислитель модуля, вычитатель, пороговый блок и ключ, а также блок выбора максимального напряжения, причем входы вычислителя модуля являются входами блока, выход вычитателя каждой из ветвей подключен к второму входу ключа этой ветви, а второй вход вычитателя соединен с выходом блока выбора максимального напряжения, входы которого соединены с выходами вычислителей модуля других трактов, выходы ключей являются выходами блока, выход вычислителя модуля первой ветви соединен с первыми входами блоков выбора максимального напряжения всех ветвей, кроме первой, выходы вычислителя модуля всех ветвей, кроме первой, соединены с соответствующими входами блока выбора максимального напряжения всех ветвей.