УСТРОЙСТВО ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА МНОГОКАНАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 1998 года по МПК H04J1/00 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано, в частности, для увеличения количества каналов, которые передаются в заданной полосе частот, т.е. для увеличения скорости передачи информации.

Известны устройства для передачи и приема многоканальных сигналов с частотным разделением каналов (ЧРК): "Основы многоканальной связи", под ред. Бобровской Н. К., М., Связь, 1975 г., с. 25; "Системы многоканальной связи" Зинчеренко А. М., Баева Н.Н., Тверецкий Н.С. Эти устройства позволяют передать сравнительно небольшое количество каналов в заданной полосе частот, так как в них не используется возможность увеличения числа каналов путем преобразования спектра канальных сигналов на передаче и обратного преобразования этих спектров на приеме.

Наиболее близким к изобретению является устройство, описанное в монографии "Теоретические основы многоканальной связи". М., Радио и связь, 1985 г, (с. 108 - 110), М.В. Гитлиц, А.Ю. Лев.

Это устройство для передачи и приема многоканальных сигналов с ЧРК содержит на передающей стороне N источников сообщений, подключенных соответственно к входам N каналов, модулятор, к первому входу которого подключен генератор несущей частоты, а также групповой сумматор, а на приемной стороне N каналов, N получателей сообщений, а также последовательно соединенные полосовой фильтр и детектор, причем вход полосового фильтра подключен к линии связи.

Однако это устройство позволяет передать в полосе частот F только N каналов

где
F₁ - полоса частот, отведенная на 1 канал.

Это количество каналов сравнительно невелико.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение - увеличить количество каналов, которые можно передать в заданной полосе частот. Это означает, что в заданной полосе частот будет передано большое количество каналов или заданное количество каналов будет передано меньшей полосе частот.

Для решение поставленной задачи в устройстве, содержащем на передающей стороне N источников сообщений, подключенных соответственно к входам N каналов, модулятор, к первому входу которого подключен генератор несущей частоты, а также групповой сумматор, а на приемной стороне N каналов, N получателей сообщений, а также последовательно соединенные полосовой фильтр и детектор, причем вход полосового фильтра подключен к линии связи, на передающей стороне каждый из N каналов содержит m подканалов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных полосового фильтра, фазовращателя, преобразователя частоты и усилителя, причем к второму входу преобразователя частоты подключен генератор поднесущей частоты, а выход усилителя каждого из m подканалов в каждом канале подключен к соответствующему входу канального сумматора, а выходы каждого из N канальных сумматоров подключены к соответствующим входам группового сумматора, выход которого подключен к второму входу модулятора, выход которого через групповой фильтр подключен к линии связи, а на приемной стороне выход детектора подключен к входу каждого из N каналов, каждый из которых содержит m подканалов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных полосового фильтра, преобразователя частоты, фазовращателя и усилителя, причем к второму входу преобразователя частоты подключен генератор поднесущей частоты, а выход усилителя каждого из m подканалов в каждом канале подключен к соответствующему входу канального сумматора, выход каждого из которых подключен к входу соответствующего получателя сообщений.

На фиг.1 представлена схема устройства содержащая N источников сообщений 1.1 - 1.N; на передающей стороне в каждом из N каналов, в каждом из m подканалов передающие фильтры ПРФ 2.1.1 - 2.N.m.; передающие фазовращатели ПРФВ 3.1.1 - 3.N.m.; передающие преобразователи частоты ПРПЧ 4.1.1 - 4.N.m.; передающие генераторы поднесущих частот ПРГ 5.1.1 - 5.N.m.; передающие усилители ПРУ 6.1.1 - 6.N.m.; в каждом канале канальный сумматор 7.1 - 7.N; групповой сумматор 8, модулятор 9, генератор несущей частоты 10, групповой фильтр 11; на приемной стороне групповой фильтр 12, детектор 13, в каждом из N каналов, в каждом из m подканалов приемные фильтры ПМФ 14.1.1 - 14.N.m.; приемные преобразователи частоты ПМПЧ 15.1.1 - 15.N.m.; приемные генераторы поднесущих частот ПМГ 16.1.1 - 16.N.m.; приемные фазовращатели ПМФВ 17.1.1 - 17.N.m.; приемные усилители ПМУ 18.1.1 - 18.N.m.; в каждом из N каналов приемный канальный сумматор 19.1. - 19.N.; получатель сообщения 20.1. - 20.N.

В данном устройстве на передаче сообщение первого источника информации 1.1 преобразуется с помощью m параллельно включенных цепочек из последовательно включенных ПРФ, ПРФВ, ПРПЧ, ПРГ, ПРУ в случайный процесс, который на слух воспринимается как шум. На приеме этот шум с помощью параллельно включенных между детектором 13 и канальным сумматором 19.1 цепочек из последовательно включенных ПМФ, ПМПЧ, ПМГ, ПМФВ, ПМУ преобразуется обратно в и исходное сообщение первого источника информации 1.1. Сообщения остальных источников информации на передаче с помощью соответствующих для каждого канала m параллельно включенных цепочек из последовательно включенных ПРФ, ПРФВ, ПРПЧ, ПРГ, ПРУ также преобразуются в шум, мгновенные значения которого в m раз меньше максимального значения 1-го сообщения. Сообщения остальных (N-1) источников не мешают приему 1-го сообщения 1-ым получателем.

Сущность данного уплотнения каналов на передаче и соответственно разделения каналов на приеме состоит в том, что для каждого канала необходимо выбрать свой, отличный от других каналов, набор из m параллельных цепочек, состоящих из последовательно включенных ПРФ, ПРФВ, ПРПЧ, ПРГ, ПРУ на передачей и ПМФ, ПМФВ, ПМПЧ, ПМГ, ПМУ на приеме. Следовательно, m параллельно включенных цепочек на приеме 14.1.1 - 14.1.m; 15.1.1 - 15.1.m; 16.1.1 - 16.1.m; 17.1.1 - 17.1.m; 18.1.1 - 18.1.m; для 1-го канала полностью компенсируют те искажения, которые внесли в сигнал 1-го канала m параллельно включенных цепочек на передаче 2.1.1 - 2.1.m; 3.1.1 - 3.1.m; 4.1.1 - 4.1.m; 5.1.1 - 5.1.m; 6.1.1 - 6.1.m, так что восстанавливается исходный сигнал 1-го канала. Однако эти m цепочек на приеме не компенсируют те искажения, которые вносятся m параллельно включенными цепочками на передачу в сообщения 2-го, 3-го и т.д. N-го каналов. Т.е. на входе получателя 20.1 первого канала сообщения остальных источников остаются шумом и не мешают приему 1-го сообщения, так как при большом m уровень шума от остальных каналов для сообщений 1-го канала будет очень мал. Например, при m = 10 средняя мощность полезного сигнала 1-го канала более, чем в 100 раз, превосходит мощность шума от соседнего канала.

Следовательно, в полосе частот одного канала F₁ передается N сообщений N каналов, т.е. количество каналов в заданной полосе частот F₁ увеличивается в N раз. Следовательно, и скорость передачи информации в заданной полосе частот F₁ увеличивается в N раз. Разделение N каналов на приеме осуществляется путем преобразования спектров сообщений каждого из N каналов, компенсирующего те преобразования спектров, которые вносятся в информационные сигналы на передаче. Эти преобразования для разных каналов различны.

Устройство работает следующим образом. Напряжение U₁(t) от первого источника (первого канала) поступает на вход m параллельно включенных ПРФ 2.1.1 - 2.1.m, которые делят спектр сигнала на m полос:
U₁(t)=U₁₁(t)+U₁₂(t)+...+U_1.m(t)
Напряжения U₁₁(t) ... U_1.m(t) с выходов соответствующих ПРФ поступают на вход соответствующего ПРПЧ, в котором осуществляется перенос напряжений U₁₁(t) . .. U_1.m(t) из одной части спектра исходного сигнала в другую, т.е. части спектра "меняются" друг с другом своими "местами" в общем спектре сигнала U₁(t), занимающего полосу частот F₁. Благодаря этому сигнал U₁(t) на слух воспринимается как тепловой шум, а его спектр становится более равномерным, так как, зная спектр исходного сигнала U₁(t), мы можем рассчитывать, как следует переместить отдельные участки спектра сигнала U₁(t), чтобы энергия достаточно равномерно распределилась в полосе F₁. На выходе ПРПЧ 4.1.1 - 4.1. m получим напряжения , которые поступают на входы соответствующих ПРФВ. Фазовращатели ПРФП ϕ₁₁...ϕ_1.m в напряжения , которые преобразуются в напряжения U₁₁(t) ... U_1.m(t) преобретали свои фазовые сдвиги, отличные от фазовых сдвигов в других каналах, в результате чего осуществляется уплотнение на пределе и разделение каналов на приеме. Напряжения с выходов ПРФВ поступают на входы соответствующих ПРУ, коэффициенты усиления которых K₁₁ ... K_1.m подобраны так, что энергии сигналов на выходах ПРУ оказываются одинаковыми, а спектр сформированного процесса Y₁(t) на выходе канального сумматора 1-го канала 7.1 равномерен в полосе F₁. Преобразованный сигнал Y₁(t) на слух воспринимается, как шум. Аналогичным образом преобразуется сообщение U₂(t) второго источника сообщения 1.2. Однако полосы пропускания и средние частоты полос пропускания у фильтров 2-го канала 2.2.1-2.2.m отличаются от соответствующих параметров ПРФ 1-го канала 2.1.1-2.1. m, рассмотренных выше. Сформированные напряжения U_2.1(t) ... U_2.m(t) с выходом ПРФ 2-го канала 2.2.1-2.2.m поступают на входы соответствующих ПРПЧ 4.2.1-4.2. m, с помощью которых напряжения U_2.1(t) ... U_2.m(t) перемещаются в полосе частоте F₁, причем закон, по которому осуществляются эти перемещения во 2-ом канале иной, чем в 1-ом канале. Точно также фазовые сдвиги ϕ_2.1...ϕ_2.m , которые дают ПРФВ 2-го канала 6.2.1-6.2.m отличны от ϕ_1.1...ϕ_1.m для первого канала. Коэффициенты усиления K_2.1 ... K_2.m для ПРУ 2-го канала 6.2.1-6.2.m также отличны от K_1.1 ... K_2.m. Сформированный на входе канального сумматора 7.2 2-го канала процесс Y₂(t), также как и Y₁(t), воспринимается на слух как шум.

Аналогично формируются все преобразованные сигналы Y₁(t) + ... + Y_N(t), которые суммируются в групповом сумматоре 8 так, что получаем групповой сигнал Z(t) = Y₁(t) + ... + Y_N(t). Этим сигналом осуществляется в модуляторе 9, например, амплитудная модуляция (или ЧМ или ФМ), поступающая от генератора 10. Групповой фильтр 11 устраняет паразитные частоты, которые могут возникать при АМ, так что получим сигнал обычный (это справедливо и для ЧМ, ФМ):
U_am(t) = U_m[I + m • Z(t)]• cosω_ot
Этот сигнал через линию связи поступает на приемный фильтр 12 и далее на амплитудный детектор 13, который формирует на выходе сигнал Z(t). Этот группой сигнал Z(t) = Y₁(t) + ... + Y_N(t) поступает на вход m • N параллельно включенных ПМФ. Первые m параллельно включенных ПМФ 14.1.1 - 14.1.m выделяют m полос в спектре сигнала Z(t). Параметры фильтра ПМФ 14.1.1 равны параметрам фильтра ПРФ 2.1.1, т.е. эти фильтры одинаковы. Аналогично, одинаковы фильтры ПРФ 2.1.2 и ПМФ 14.1.2 и так далее, одинаковы фильтры ПМФ 2.1.m и ПРФ 14.1. m. Т.е. на выходе ПМФ 14.1.1 получим сигнал , на выходе ПМФ 14.1.2 сигнал и т.д., на выходе ПМФ 14.1.m получим U_1.m(t) = K_1.mU_1.m(t). Эти сигналы поступают на вход ПМПЧ, которые смещают спектр входных сигналов так, что они "возвращаются" на те места, где они располагались в исходном сигнале U₁(t). Т.е. на выходе ПМПЧ получим сигналы . Эти сигналы проходят через ПМФВ 17.1.1 - 17.1.m. При этом сигнал проходит через ПМФВ 17.1.1, в котором фаза этого сигнала сдвигается на величину (-ϕ₁₁) , т.е. компенсируется фазовый сдвиг ϕ₁₁ , полученный этим сигналом в ПРФВ 3.1.1, т.е. сигнал превращается в сигнал K₁₁U₁₁(t). Аналогично сигнал на выходе ПМФВ 17.1.2 получает фазовый сдвиг (-ϕ₁₂) и превращается в сигнал K₁₂U₁₂(t); и так далее превращается в сигнал K_1.mU_1.m(t). Далее сигнал K₁₁U₁₁(t) поступает на вход ПМУ 18.1.1., коэффициент усиления которого равен K-111

, т.е. на выходе ПМУ 18.1.1 получим сигнал U₁₁(t). Аналогично, на выходе ПМУ 18.1.2 с коэффициентом усиления K-112 получим сигнал K₁₂U₁₂(t) • K-112U₁₂(t) , а на выходе ПМУ 18.1.m получим сигнал U_1.m(t). Все эти сигналы U₁₁(t) ... U_1.m(t) поступают на вход приемного канального сумматора 19.1, на выходе которого получим сумму: U₁₁(t)+U₁₂(t) + ... + U_1.m(t), т.е. сигнал U₁(t), который поступил от 1-го источника сообщения (см. формулу 1). Преобразованные сигналы остальных каналов: Y₂(t) ... Y_N(t) также поступают на вход первых m ПМФ первого канала. Параметры m параллельно включенных цепочек 14.1.1 - 14.1.m, 15.1.1 - 15.1.m, 16.1.1 - 16.1.m, 17.1.1 - 17.1.m, 18.1.1 - 18.1. m согласованы только с сигналом Y₁(t) первого канала и преобразуют Y₁(t) в U₁(t); однако эти параметры не согласованы с параметрами Y₂(t) ... Y_N(t). Поэтому преобразованные сигналы Y₂(t) ... Y_N(t), проходя через несогласованные с ними m цепочек первого канала, остаются шумом и на слух воспринимаются, как обычный шум низкого уровня.

Следующие m параллельно включенных цепочек 14.2.1 - 14.2.m, 15.2.1 - 15.2.m, 16.2.1 - 16.2.m, 17.2.1 - 17.2.m, 18.2.1 - 18.2.m согласованы с преобразованным сигналом 2-го канала и преобразуют Y₂(t) в U₂(t) 2-го источника (2-ой канал). Аналогично, m параллельно включенных цепочек 14.N.1 - 14.N.m, 15. N.1 - 15.N.m, 16.N.1 - 16.N.m, 17.N.1 - 17.N.m, 18.N.1 - 18.N.m согласованы с Y_N(t) и преобразуют Y_N(t) в U_N(t) - сообщение N-го источника (N-ый канал).

Покажем, что применение предложенного устройства позволяет разделить все сигналы любого из N каналов, т.е. увеличить в N раз количество каналов, которые могут быть переданы в заданной полосе частот одного канала F₁. Пусть по 1-му каналу передается для определенности одиночный прямоугольный импульс:

По N-му каналу пусть передается одиночный импульс той же длительности T, но противоположной полярности:

Если не применять предлагаемое устройство, то сигналы 1-го и N-го каналов одновременно поступают на вход модулятора 14. Очевидно, что напряжения U₁(t) и U_N(t) взаимно уничтожаются, т.е. U₁(t) + U_N(t) = 0 и сообщения 1-го и 2-го подканалов не передаются. Очевидно, имеется полное наложение сигналов отдельных подканалов и разделение подканалов не происходит.

В предложенном устройстве эти подканалы разделяются. Действительно, спектр сигнала U₁(t) равен:

Полосы пропускания предающих фильтров выбираются так, чтобы средние амплитуды колебаний на выходе фильтров были приблизительно равны. Допустим для определенности, что используется 11 фильтров, а ширина спектра S₁(ω) равна . Тогда полосы частот ПРФ следует выбрать равными: . Для заданного сигнала U₁(t) амплитуды (энергии) колебаний на выходе всех 11-ти ПРФ будут примерно равны. Фазовые сдвиги частотных составляющих U₁(t) в передающих фазовращателях выберем равными 0^o, 0^o, 0^o, 180^o, 180^o, 180^o, 0^o, 180^o, 180^o, 0^o, 180^o (код Баркера). Возможны и другие законы чередования. Напряжения на выходе 11-ти фазовращателей 1-го канала равны:

Напряжение Y₁(t) поступает на вход сумматора 7.1. Одновременно напряжение N-го канала U₁(t) проходит через m параллельно включенных спектров. Эти фильтры могут быть идентичны ПРФ 1-го канал хотя принципиально возможно использовать ПРФ с другими Δ_к . Для простоты предположим, что их характеристики одинаковы. Однако, фазовые сдвиги в N-ом канале уже иные, например такие: 0^o, 0^o, 180^o, 180^o, 180^o, 0^o, 180^o, 180^o, 0^o, 180^o, 0^o. Напряжение на выходе ПРФВ 3.N.1 - 3.N.m следующие с учетом того, что S_N(ω) = -S₁(ω) :

Напряжение U₁₁(t) также поступает на вход сумматора 7.2. Очевидно, что на выходе детектора 13 мы получим сумму напряжений U₁(t) и U_N(t) . Эта сумма действует на вход m цепочек 14.1.1 - 14.1.m. Полосы пропускания приемных фильтров равны полосам пропускания соответствующих передающих фильтров 1-го канала, а фазовые сдвиги в приемных фазовращателях противоположны по знаку фазовым сдвигам в ПРФВ, т.е. они равны: 0^o, 0^o, 0^o, - 180^o, - 180^o, - 180^o, 0^o, - 180^o, - 180^o, 0^o, - 180^o. Т.е. сигнал U₁(t), проходя через эти приемные фазовращатели, компенсирует фазовые сдвиги, полученные в передающих фазовращателях, компенсирует фазовые сдвиги, полученные в передающих фазовращателях, и преобразуется в исходный сигнал U₁(t), поступающий к получателю 20.1. Сигнал N-го канала также проходит через приемные фильтры и фазовращатели 1-го канала. Но они не компенсируют фазовых сдвигов передающих фазовращателей N-го канала и поэтому сигнал U₁(t) поступает к получателю 20.1 в виде шумовой помехи.

Расчет напряжения на выходе получателя 1-го канала дает следующие результаты: максимальное напряжение сигнала 1-го канала +U₀, максимальное напряжение сигнала N-го канала -0,1U₀, отношение мгновенных мощностей .

Увеличивая число ПРФ, ПРФВ, ПМФ, ПМФВ, мы увеличиваем отношение сигнал/шум.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для увеличения количества каналов, которые передаются в заданной полосе частот. Для решения поставленной задачи в известном устройстве на передающей стороне каждый из N каналов содержит m подканалов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных полосового фильтра, фазовращателя, преобразователя частоты и усилителя, причем к второму входу преобразователя частоты подключен генератор поднесущей частоты, а выход усилителя каждого из подканалов в каждом канале подключен к соответствующему входу канального сумматора, выходы (-) N-канальных сумматоров подключены к соответствующим входам группового сумматора, выход которого подключен к второму входу модулятора, выход которого через групповой фильтр подключен к линии связи, а на приемной стороне выход детектора подключен к входу каждого из N каналов, каждый из которых содержит m подканалов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных полосового фильтра, преобразователя частоты, фазовращателя и усилителя, причем к второму входу преобразователя частоты подключен генератор поднесущей частоты, выход усилителя каждого из m подканалов в каждом канале подключен к соответствующему входу канального сумматора, выход (-) каждого из которых подключен к входу соответствующего получателя сообщения. 1 ил.

Устройство передачи и приема многоканальных сигналов, содержащее на передающей стороне N источников сообщений, подключенных соответственно к входам N каналов, модулятор, к первому входу которого подключен генератор несущей, а также групповой сумматор, а на приемной стороне - N каналов, N получателей сообщений, а также последовательно соединенные полосовой фильтр и детектор, причем вход полосового фильтра подключен к линии связи, отличающееся тем, что на передающей стороне каждый из N каналов содержит m подканалов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных полосового фильтра, фазовращателя, преобразователя частоты и усилителя, причем к второму входу преобразователя частоты подключен генератор поднесущей частоты, а выход усилителя каждого из m подканалов в каждом канале подключен к соответствующему входу канального сумматора, выходы N-канальных сумматоров подключены к соответствующим входам группового сумматора, выход которого подключен к второму входу модулятора, выход которого через групповой фильтр подключен к линии связи, а на приемной стороне выход детектора подключен к входу каждого из N каналов, каждый из которых содержит m подканалов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных полосового фильтра, преобразователя частоты, фазовращателя и усилителя, причем к второму входу преобразователя частоты подключен генератор поднесущей частоты, а выход усилителя каждого из m подканалов в каждом канале подключен к соответствующему входу канального сумматора, выход каждого из которых подключен к входу соответствующего получателя сообщения.