УСТРОЙСТВО ПОИСКА СИГНАЛА СИНХРОНИЗАЦИИ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ Российский патент 1997 года по МПК H04J3/06 H04B1/10 

Изобретение относится к многоканальным системам связи, построенным по принципу "каждый с каждым", и может быть использовано в системах синхронизации таких систем.

Из уровня техники известно устройство синхронизации шумоподобных сигналов [1] состоящее из первого и второго перемножителей, первые входы которых являются входом устройства, а их вторые входы подключены соответственно к выходам генератора несущей частоты, а выходы перемножителей соединены соответственно с входами модулятора сигналов, тактовый вход которого соединен с выходом блока управления и управляющим входом порогового блока, выход которого подключен к входу блока управления, выходы модулятора сигналов соединены соответственно с входами интеграторов, выходы нечетных интеграторов соединены соответственно с входами первого сумматора, а выходы четных интеграторов с выходами второго сумматора, выходы первого и второго сумматоров через соответствующие квадраторы соединены с соответствующими входами третьего сумматора, выход которого соединен с входом преобразователя типа "корень квадратный", первый выход которого является первым выходом устройства, а второй выход соединен с информационным входом порогового блока.

Известно также устройство синхронизации шумоподобных сигналов [2] являющееся дополнительным изобретение к [1] дополнительно содержащее последовательно соединенные блок памяти, схему сравнения, дополнительный сумматор и блок регулировки частоты, выход которого соединен с управляющим входом генератора несущей частоты, управляющие входы схемы сравнения и блока памяти соединены с соответствующим выходом порогового блока, а информационный вход блока памяти соединен с выходом бока управления.

Из уровня техники наиболее близким к изобретению является устройство поиска шумоподобных сигналов [3] содержащий блок АПЧ, последовательно соединенные дискриминатор, управляемый тактовый генератор, блок сканирования, ключ, счетчик уровня, блок сравнения, второй ключ, элемент памяти, режектор, опорный генератор, коммутатор и коррелятор с максимальным напряжением свертки, выход которого соединен с одним из входов блока АПЧ и входом дискриминатора, другой вход которого и первые входы корреляторов объединены и соединены с выходом блока АПЧ, вторые входы корреляторов соединены соответственно с выходами опорного генератора, третьи входы корреляторов подключены к выходу второго ключа, а выходы корреляторов соединены соответственно с входами детектора максимального сигнала, выход которого подключен к другому входу блока сравнения, а группа выходов к входам второй группы коммутатора, выход элемента памяти соединен с входом блока памяти, первый и второй выходы которого подключены соответственно к второму входу коррелятора с максимальным напряжением свертки и второму входу блока АПЧ.

Недостатком этого устройства является избыточность оборудования и невозможность использования в спутниковых системах связи, построенных по принципу "каждый с каждым".

Технической задачей, на решение которой направлено устройство, является разработка устройства поиска по частоте сигнала синхронизации в системах спутниковой связи с шумоподобными сигналами, построенными по принципу "каждый с каждым".

Технический результат от использования изобретения заключается в расширении арсенала технических средств, решающих указанную задачу, повышении отношения сигнал/шум в каждом из каналов поиска и улучшении качества фильтрации сигналов в каждом из каналов.

Этот технический результат достигается тем, что в устройство для поиска сигнала синхронизации спутниковой системы связи, содержащее первый преобразователь частоты, первый вход которого является входом устройства, выход которого подключен к входу усилителя высокой частоты, а второй вход подключен к выходу управляемого генератора, входы которого соединены с выходами формирователя сигналов подстройки управляемого генератора, вход которого соединен с выходом частотного дискриминатора, блок выделения максимального сигнала, фильтр нижних частот и четыре канала обнаружения сигнала, состоящих из коррелятора, первые информационные входы корреляторов каналов обнаружения сигнала соединены с выходом фильтра нижних частот, введены формирователь кода канала, группа из четырех выходов которого является группой выходов обнаружения сигнала синхронизации, а пятый выход является выходом отсутствия обнаружения сигнала синхронизации, последовательно соединенные гетеродин и второй преобразователь частоты, последовательно соединенные генератор частоты маркера и умножитель, канал формирования опорного напряжения, состоящий из последовательно соединенных коррелятора, детектора и интегратора, канал выделения маркера сигнала синхронизации, состоящий из последовательно соединенных коррелятора, резонансного усилителя, детектора и порогового элемента, другой вход которого является входом задания порога устройства, а выход выходом маркера сигнала синхронизации устройства, а каждый канал обнаружения сигнала включает последовательно соединенные детектор и интегратор, причем вход детектора подключен к выходу коррелятора своего канала обнаружения сигнала, выход усилителя высокой частоты соединен с другим входом второго преобразователя частоты, выход которого подключен к первым информационным входам корреляторов канала формирования опорного напряжения и канала выделения маркера сигнала синхронизации, второй информационный вход коррелятора которого соединен с выходом умножителя, выход коррелятора четвертого канала обнаружения сигнала подключен к входу частотного дискриминатора, выходы интеграторов каналов обнаружения сигнала и интегратора канала формирования опорного напряжения соединены соответственно с входами блока выделения максимального сигнала, выходы которого подключены соответственно к входам формирователя кода канала, а выходы интеграторов второго и третьего каналов обнаружения сигнала являются дополнительными информационными выходами устройства, которые информационные входы корреляторов первого, второго, третьего и четвертого каналов обнаружения сигнала и второй информационный вход коррелятора канала формирования опорного напряжения являются соответственно первым-пятым входами сигнала псевдослучайной последовательности устройства, четвертый из которых соединен также с другим входом умножителя, а установочные входы всех интеграторов объединены и являются установочным входом устройства.

На фиг. 1 приведена схема устройства, на фиг.2 частотный дискриминатор, на фиг.3 формирователь сигналов подстройки управляемого генератора, на фиг.4 формирователь кода канала, на фиг. 5 коррелятор, на фиг. 6 структура сигнала синхронизации в системе спутниковой связи.

Устройство содержит вход 1, последовательно соединенные первый преобразователь частоты 2, усилитель 3 высокой частоты, второй преобразователь 4 частоты, фильтр нижних частот 5, другой вход преобразователя 4 частоты подключен к выходу гетеродина 6, корреляторы 7 12, последовательно соединенные детектор 13 и интегратор 14, последовательно соединенные детектор 15 и интегратор 16, последовательно соединенные детектор 19 и интегратор 20, последовательно соединенные детектор 21 и интегратор 22.

Элементы 7, 13 и 14 образуют первый канал обнаружения сигнала, элементы 8, 15 и 16 второй канал, элементы 9, 17 и 18 третий канал, а элементы 10, 19 и 20 четвертый канал обнаружения сигнала.

Элементы 11, 21 и 22 составляют канал формирования опорного напряжения.

Выход фильтра 5 нижних частот подключен к первым информационным входам корреляторов 7 12, а выходы интеграторов 14, 16, 18, 20 и 22 соединены соответственно с входами блока 23 выделения максимального сигнала, выходы которого подключены соответственно к входам формирователя 24 кода канала, группа из четырех выходов 25 которого является группой выходов обнаружения сигнала синхронизации, а выход 26 является выходом отсутствия обнаружения сигнала синхронизации. Позициями 27 и 28 обозначены дополнительные информационные выходы устройства выходы соответственно интеграторов 16 и 18. Установочные входы интеграторов 14, 16, 18, 20 и 22 объединены и являются установочным входом 29 устройства, выход коррелятора 12 через последовательно соединенные резонансный усилитель 30 и детектор 31 соединен с информационным входом порогового элемента 32, вход задания порога которого является входом 33 задания порога устройства, а выход 34 является выходом маркера сигнала синхронизации устройства, вторые информационные входы корреляторов 7 11 являются соответственно первым 35, вторым 36, третьим 37, четвертым 38 и пятым 39 входами сигнала псевдослучайной последовательности устройства, вход 38 соединен также с одним из входов умножителя 40, другой вход которого подключен к выходу генератора 41 частоты маркера, а выход умножителя 40 соединен с вторым информационным входом коррелятора 12, выход коррелятора 10 соединен с входом частотного дискриминатора 42, выход которого подключен к входу формирователя 43 сигналов подстройки управляемого генератора, выходы которого соединены соответственно с входами управляемого генератора 44, выход которого соединен с вторым входом преобразователя 2 частоты.

Частотный дискриминатор (фиг. 2) может быть выполнен в виде последовательно соединенных аналого -цифрового преобразователя 45, измерителя частоты 46 и схемы сравнения кодов 47, выход которой является выходом дискриминатора, другая группа входов схемы 47 сравнения кодов соединена с выходами датчика 48 номинального значения частоты, а входом дискриминатора является вход аналого -цифрового преобразователя.

Формирователь 43 сигналов подстройки управляемого генератора может быть выполнен, например, (фиг.3) в виде генератора 49 импульсов, выход которого соединен с первыми входами первого 50 и второго 51 элементов И, выходы которых являются первым и вторым выходами формирователя, входом которого является второй вход второго элемента И 51, соединенный через элемент НЕ 52 с вторым входом первого элемента И 51.

Формирователь 24 кода канала может быть выполнен, например, (фиг.4) в виде пяти триггеров 53, единичные входы которых являются соответствующими входами формирователя, а прямые выходы первых четырех триггеров 53 являются соответствующими выходами группы 25 выходов обнаружения сигнала синхронизации, прямой выход пятого триггера 53 является выходом 26 отсутствия сигнала обнаружения сигнала синхронзиации. Формирователь содержит также пять групп диодов 54, причем выходы диодов каждой группы соединены с нулевым входом соответствующего триггера 53, а каждый вход формирователя 24 соединен с входом соответствующего диода 53 всех групп, не воспадающих по номеру с номером входа формирователя.

Коррелятор (фиг. 5) состоит из последовательно соединенных перемножителя 55 и полосового фильтра 56, выход которого является выходом коррелятора, а входами коррелятора являются входы перемножителя 55.

Остальные элементы и узлы устройства являются известными из уровня техники.

Система спутниковой связи, для которой предназначено данное устройство поиска сигнала синхронизации, является многоканальной децентрализованной синхронной системой связи, в которой каждая абонентская станция (АС) может одновременно обеспечивать связь с несколькими абонентами по разным направлениям и адресам (принцип построения "каждый с каждым").

Синхронизация в системе осуществляется с помощью служебного частотного канала (СЧК), структура сигнала в котором приведена на фиг. 6.

Сверхцикл сигнала синхронизации составляет 8с (T_сц=8с) и делится на 32 кадра, каждый из которых имеет длительность T_кад=250 мс. Каждый кадр делится на 15 циклов длительностью T_ц=16,(6)мс. Он в свою очередь состоит из пяти частотно-временных интервалов (позиций) длительностью T_инт=3,(3)мс.

В СВЧ передаются синхросигналы центральной (ЦС) и периферийной (ПС) станций, сигналы занятости информационно -частотных каналов и служебные сигналы для организации связи между станциями. Обе станции (ЦС и ПС) являются унифицированными. Обозначение ЦС относится к станции, которая в данное время организует синхронную работу всей системы.

Информационное наполнение любого цикла, за исключением первого, одинаково.

В циклах СЧК передается следующая информация.

1. В 1-м цикле первого кадра передается:
на первом временном интервале маркер сверхцикла, представляющий меандр с частотой 14,4 кГц и длительностью маркера 3,3 мс.

на втором и третьем временных интервалах циркулярная информация;
на четвертом и пятом временных интервалах сигналы занятости частотно -временных позиций в информационно-частотном канале.

2. В первом цикле любого кадра, кроме первого, передается:
на первых трех частотно-временных интервалах циркулярная информация;
на четвертом и пятом временных интервалах сигналы занятости частотно-временных позиций в информационно -частотном канале.

3. Во всех циклах, кроме первого, передается:
на первом временном интервале сигнал синхронизации ПС по передаче;
на втором и третьем временных интервалах сигнал организации связи между абонентами (вызывной сигнал);
на четвертом и пятом временных интервалах сигналы занятости частотно -временных позиций в информационно -частотном канале.

Видеосигналами в СЧК являются функции Уолша, образующие пространство ортогональных сигналов. Частота следования функций Уолша (тактовая частота) составляет 57,6 кГц. Видеосигналы перемножаются с циклической псевдослучайной последовательностью (ПСП). Каждый цикл ПСП состоит из 1024 элементов, следующих с частотой 921,6 кГц. Результирующий сигнал поступает на фазовый модулятор.

В СЧК используется три типа ПСП:
1. Синхропоследовательность ЦС (СП ЦС). После перемножения СП ЦС и ФУ N 1 (постоянный ток) на ЦС образуется синхросигнал СС_цс, который передается всем станциям сети. Он передается центральной станцией постоянно за исключением тех временных интервалов, где ЦС передает циркулярную информацию, или вызывные сигналы, или сигналы занятости. Любой станцией при работе в режиме ЦС образуется один и тот же синхросигнал СС_цс.

2. Синхропоследовательность ПС (СП ПС). Она используется для образования синхросигнала СС_пс, по которому входят в синхронизм по передаче периферийные станции. Синхросигналы СС_пс передаются на первых временных интервалах циклов.

3. Информационная ПСП (ИП). После перемножения информационной псевдослучайной последовательности с информационным сигналом любой станции образуется информационный радиосигнал, который может принять и обработать каждая станция сети, так как информационная последовательность для всех станций сети одна и та же.

ИП перемножается также с сигналами циркулярной информации, с вызывными сигналами и с сигналами занятости частотно-временных интервалов.

Каждой АС в СЧК отводится конкретный временной интервал для передачи СС_пс.

Принцип работы устройства состоит в следующем.

Синхросигнал-синхропоследовательность центральной станции (СП ЦС) представляет собой почти непрерывную псевдослучайную последовательность с длительностью периода 1,1 мс, тактовой частотой 921,6 кГц, числом элементов 1024. Каждые 8с в течение 3,3 мс на сигнал накладывается меандр частотой 14,4 кГц, образуя маркер сверхцикла.

Задача устройства состоит в том, чтобы обеспечить надежное слежение по частоте синхросигнала и выделить маркер сверхцикла.

Особенность поиска шумоподобного сигнала заключается в том, что область тела неопределенности в частотно -временном пространстве невелика. Поэтому сигнал может быть обнаружен при достаточно близких значениях частоты опорных сигналов при корреляционном методе обнаружения. Необходимо также учитывать, что в системах спутниковой связи частота и задержка сигнала изменяются медленно. Поэтому в работу устройства положен последовательно -параллельный метод обнаружения, сущность которого состоит в следующем.

Принимаемый сигнал преобразуется в сигнал с низкой промежуточной частотой (28,8 КГц) и подается на перемножитель, на другой вход которого подается эталонный сигнал с той же ПСП, что и принимаемый. В результате перемножения при совпадения во времени принимаемой и эталонной ПСП манипуляция сигнала снимается, узкополосным фильтром выделяется монохроматический сигнал. Полоса фильтра определяет время интегрирования интегратора. Амплитуда сигнала на выходе коррелятора зависит от степени близости на временной шкале принимаемого и эталонного сигналов. Поэтому после детектирования и дополнительного интегрирования выходной сигнал подается на пороговое устройство. Превышение сигнала над порогом дает основание для принятия решения о наличии сигнала. Такое построение коррелятора исключает необходимость выделения несущего колебания с точностью до фазы, что очень сложно в реализации. Пороговый уровень формируется в дополнительном канале. Он отличается от других тем, что в качестве опорного сигнала используется логическая смесь СП и ИП. Выходным эффектом канала является средний уровень шумовой составляющей корреляционной свертки сигналов. Превышение этого уровня в каком-либо канале является признаком наличия сигнала.

Такой эффект достигается только в том случае, если входной сигнал не только совпадает по времени с эталонным, но и частота сигнала близка к резонансной частоте фильтра. Поэтому путем перестройки гетеродина можно добиться максимума выходного эффекта. Двухэтапное интегрирование позволяет разрешить противоречие между требованием обеспечения большого интервала накопления и необходимостью измерения частоты в достаточно широком диапазоне частот. Это позволяет сделать измерение частоты на выходе полосового фильтра, сравнение результата измерения с номинальным значением и подстройку частоты гетеродина до требуемого значения. Поэтому поиск по частоте и задержке мало зависимы.

Процесс измерения может происходить и при частичном совпадении принимаемой и эталонной ПСП.

Для увеличения скорости поиска и выявления направления поиска в устройстве используется четыре канала. Каждый последующий канал отличается от предыдущего тем, что его эталонная ПСП задержана относительно предыдущей на длительность элемента ПСП.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Сигнал с выхода ствольного приемника поступает на вход преобразователя 2, с помощью которого осуществляется преобразование сигнала до частоты 70 ± 20 МГц, усиливается усилителем 3 и с помощью преобразователя 4 осуществляется второе преобразование до частоты 28,8 кГц и после фильтрации и усиления фильтром 5 поступает на корреляторы 7-12. Корреляторы 7-10 и соответствующие им детекторы 13, 15, 17 и 19, а также интеграторы 14, 16, 18, 20 образуют четыре канала обнаружения сигнала, а коррелятор 11, детектор 21 и интегратор 22 образуют канал формирования опорного напряжения, по отношению к которому принимается решение об обнаружении сигнала. На вторые входы корреляторов 7, 8, 9, 10 со входов 35, 36, 37, 38 подается одна и та же эталонная ПСП, но задержанная на длительность элемента ПСП в каждом последующем канале относительно предыдущего. На второй вход коррелятора 11 с входа 39 поступает логическая смесь эталонной синхропоследовательности и информационной последовательности.

Двойное преобразование частоты входного сигнала позволило довести промежуточную частоту до уровня на порядок меньший, чем тактовая частота ПСП, сама ПСП является несущей, а непрерывные колебания огибающей.

В каждом из четырех каналов обнаружения с помощью перемножителя 55 снимается манипуляция входного сигнала, а полосовой фильтр 56 является первым интегратором канала. Проведенное снижение промежуточной частоты сигнала позволяет выполнить полосовой фильтр с очень высокой добротностью, его полоса сравнима с длительностью ПСП, что обеспечивает хорошие интегрирующие свойства фильтра и достаточно высокое отношение сигнал/шум на его выходе. Детекторы на выходе фильтров выполнены в виде амплитудных линейных детекторов, поэтому на их выходе воспроизводится корреляционная функция сигнала. Повторное интегрирование с помощью соответствующих интеграторов 14, 16, 18 или 20 позволяет расширить интервал интегрирования на длительность нескольких ПСП, что обеспечивает гибкость применения схемы.

Аналогично обрабатывается сигнал и в пятом канале, состоящем из коррелятора 11, детектора 21 и интегратора 22, на выходе которого формируется средний уровень шумовой составляющей корреляционной свертки сигналов СП и ИП. С выходов интеграторов сигналы поступают на входы блока 23 выделения максимального сигнала, который сравнивает поступающие сигналы на его входы, и выходной сигнал появляется только на том его выходе, который соответствует максимальному входному сигналу. Этот сигнал поступает на соответствующий вход формирователя 24, переводит соответствующий триггер 53 в единичное состояние и обнуляет остальные триггеры. Таким образом, единичное состояние одного из первых четырех триггеров 53 свидетельствует о факте обнаружения сигнала в соответствующем канале, а единичное состояние пятого триггера 53 об отсутствии факта обнаружения. Это следует из того, что сигнал на выходе интегратора 22 превышает сигналы на выходах остальных интеграторов, т.е. превышения порога обнаружения не произошло.

Сигналы с выходов 25 и 26 поступают в устройстве поиска по задержке сигнала. Туда же поступают и сигналы с выходов 27 и 28 для формирования дискриминационной характеристики.

Поиск сигнала по частоте осуществляется следующим образом. Сигнал с выхода коррелятора одного из каналов, в данном случае с выхода коррелятора 10 поступает на вход частотного дискриминатора 42, в котором с помощью аналого-цифрового преобразователя 45 преобразуется в цифровую форму и поступает на измеритель 46 частоты. С помощью схемы 47 сравнения кодов сравнивается измеренное и номинальное значение частоты, поступающее от датчика 48. Сигнал логического нуля на выходе схемы 47 соответствует выполнению условия F_ном ≥ F_изм, а сигнал логической единицы - выполнению условия F_ном <F_изм. С помощью формирователя 43 сигнал логического нуля через элемент И 50 проходит на уменьшение частоты управляемого генератора 44, а сигнал логической единицы через элемент И 51 - на увеличение частоты генератора 44. Частота импульсов генератора 49 определяет частоту поступления импульсов подстройки на генератор 44, который может быть выполнен по известным схемам синтезаторов частот.

Выделение маркера сигнала сверхцикла осуществляется с помощью коррелятора 12, на второй вход которого подается сигнал (результат) перемножения ПСП с входа 38 и сигнала генератора 41. Резонансный 30 усилитель и детектор 31 выполняют роль интегратора сигнал которого при превышении порогового уровня, задаваемого на входе 33 в пороговом элементе 32 используется для последующего формирования маркера сверхцикла (маркера "8с").

Режим поиска заканчивается появлением сигнала на одном из выходов 25.

Таким образом, за счет использования четырех каналов поиска (а не двух, как это выполнено в ближайшем аналоге) время поиска сокращено в два раза, а отношение сигнал/шум в каждом из каналов и качество фильтрации повышается за счет двойного преобразования частоты, в результате чего возможно выполнение полосовых фильтров корреляторов с очень высокой добротностью, работающих в режиме интегрирования. Этот технический результат обеспечивается также использованием двухэтапного интегрирования в каждом из каналов обнаружения сигнала.

Изобретение относится к многоканальным системам связи, построенным по принципу "каждый с каждым", и может быть использовано в системах синхронизации таких систем. Технический результат от использования изобретения заключается в сокращении продолжительности поиска по частоте, повышении отношения сигнал/шум в каждом из каналов поиска и улучшении качества фильтрации сигналов в каждом из каналов. В устройстве реализован параллельно -последовательный принцип поиска сигнала по частоте с двойным преобразованием принимаемого сигнала и двойным интегрированием, а принятие решения об обнаружении сигнала синхронизации принимается по превышению сигнала в одном из каналов обнаружения среднего уровня шумовой составляющей корреляционной свертки сигналов. Устройство содержит преобразователи частоты, корреляторы, детекторы, интеграторы, блок выделения максимального сигнала, формирователь кода канала, частотный дискриминатор, формирователь сигнала подстройки управляемого генератора и управляемый генератор. 6 ил.

Устройство для поиска сигнала синхронизации спутниковой системы связи, содержащее первый преобразователь частоты, первый вход которого является входом устройства, выход которого соединен с входом усилителя высокой частоты, а второй вход подключен к выходу управляемого генератора, входы которого соединены с выходами формирователя сигналов подстройки управляемого генератора, вход которого подключен к выходу частотного дискриминатора, блок выделения максимального сигнала, фильтр нижних частот и четыре канала обнаружения сигнала, каждый из которых состоит из коррелятора, первые информационные входы корреляторов каналов обнаружения сигнала соединены с выходом фильтра нижних частот, отличающееся тем, что в него введены формирователь кода канала, четыре выхода которого являются выходами обнаружения сигнала синхронизации устройства, а пятый выход является выходом отсутствия обнаружения сигнала синхронизации устройства, последовательно соединенные гетеродин и второй преобразователь частоты, последовательно соединенные генератор частоты маркера и умножитель, канал формирования опорного напряжения, состоящий из последовательно соединенных коррелятора, детектора и интегратора, канал выделения маркера сигнала синхронизации, состоящий из последовательно соединенных коррелятора, резонансного усилителя, детектора и порогового элемента, другой вход которого является входом задания порога устройства, а выход выходом маркера сигнала синхронизации устройства, а в каждый канал обнаружения сигнала введены последовательно соединенные детектор и интегратор, причем вход детектора подключен к выходу коррелятора, выход усилителя высокой частоты соединен с другим входом второго преобразователя частоты, выход которого подключен к первым информационным входам корреляторов канала формирования опорного напряжения и канала выделения маркера сигнала синхронизации, второй информационный вход коррелятора которого соединен с выходом умножителя, выход коррелятора четвертого канала обнаружения сигнала подключен к входу частотного дискриминатора, выходы интеграторов каналов обнаружения сигнала и интегратора канала формирования опорного напряжения соединены с соответствующими входами блока выделения максимального сигнала, выходы которого подключены к соответствующим входам формирователя кода канала, вторые информационные входы корреляторов четырех каналов обнаружения сигнала и второй информационный вход коррелятора канала формирования опорного напряжения являются соответствующими входами сигнала псевдослучайной последовательности устройства, другой вход умножителя соединен с вторым информационным входом коррелятора четвертого канала обнаружения сигнала, а установочные входы всех интеграторов соединены между собой и являются установочным входом устройства.