ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИК РАДИОЛИНИИ ЛОКАЛЬНОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ Российский патент 1998 года по МПК H04B1/38 

Изобретение относится к беспроводным линиям передачи цифровых сигналов, в частности к радиолиниям локальных вычислительных сетей.

Известна цифровая система связи на инфракрасных лучах с детектированием фронтов (H 04 B 10/10, US, N 5345327, "Изобретения стран мира", 1995, 11). Цифровая система связи на инфракрасных (ИК) лучах содержит передатчик, передающий цифровой ИК-сигнал, несущий цифровые данные, и приемник. В приемнике имеется ИК-коллектор, чувствительный к ИК-излучению, представляющему собой сумму полезного сигнала и шумов, причем шумы имеют больший уровень, чем полезный сигнал, а скорость изменения уровня шумов меньше, чем скорость нарастания фронта в полезном сигнале, к ИК-коллектору подключен детектор цифрового сигнала, извлекающий сигнал, отображающий цифровые данные, из общего входного ИК-сигнала, а далее эти данные извлекаются из сигнала детектора специальным устройством.

Недостатками этого устройства являются малая дальность действия, обусловленная сильным затуханием ИК-излучения в тумане, осадках и пыли, а также низкая помехозащищенность, связанная с влиянием на работу устройства мощных источников ИК-излучения (Солнце, нагретые предметы, фары автомобилей и т.п. ).

Известна система обмена информацией в диапазоне СВЧ с одновременной передачей и приемом (H 04 B 1/38, FR, N 2680.616, "Изобретения стран мира", 1994, 1).

Система содержит по меньшей мере две станции, причем каждая станция имеет канал передачи с антенной и канал приема с антенной. Для обеспечения обмена с одновременной передачей и приемом две антенны одной и той же станции имеют развязку за счет ортогональной поляризации, а антенны, связанные друг с другом, одинаково поляризованы.

Недостатками этой системы являются плохие массогабаритные показатели, обусловленные наличием двух антенн на каждой станции, и ограниченные функциональные возможности, связанные со сложностью обеспечения большой дальности действия системы. Большая дальность действия подразумевает большую мощность передатчиков и высокую чувствительность приемников системы, а это не позволяет реализовать необходимую развязку между приемником и передатчиком одной и той же станции только за счет поляризации антенн.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому устройству является приемопередатчик радиорелейной линии связи с двухступенчатой схемой уплотнения (Справочник по радиорелейной связи. /Под ред. С.В. Бородича. М.: Радио и связь, 1981, с. 71-72).

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема устройства-прототипа; на фиг. 2 - структурная электрическая схема заявляемого устройства; на фиг. 3 - структурная электрическая схема радиолинии локальной вычислительной сети; на фиг. 4 - осциллограммы напряжений в различных точках заявляемого устройства; на фиг. 5 - структурные электрические схемы заявляемого устройства при использовании его в частных случаях.

Устройство-прототип содержит последовательно соединенные источник питания 1, передатчик 2, антенный переключатель 3 и антенну 4, а также последовательно соединенные полосовой фильтр 5 и приемник 6, причем вход полосового фильтра 5 подключен к второму плечу антенного переключателя 3 (см. фиг. 1). Частота передатчика не попадает в полосу пропускания полосового фильтра, кроме того, излучаемый и принимаемый сигнал разделяются антенным переключателем, что позволяет осуществлять одновременную передачу и прием сообщений. Антенный переключатель может быть выполнен на основе поляризационного разделения или ферритового циркулятора.

Общими признаками прототипа и заявляемого устройства являются последовательно соединенные передатчик, антенный переключатель и антенна, а также источник питания и приемник.

Устройство-прототип работает следующим образом. В передатчик генерируется СВЧ-излучение и осуществляется его модуляция (как правило, частотная) передаваемым сообщением. СВЧ-сигнал через антенный переключатель поступает на антенну и излучается в направлении второго приемопередатчика линии связи. Принятый антенной второго приемопередатчика СВЧ-сигнал через антенный переключатель поступает на полосовой фильтр и далее на вход приемника. Выход приемника является выходом приемопередатчика. Аналогично передается сигнал второго приемопередатчика к первому. Передача и прием сигналов может осуществляться одновременно.

Недостатком прототипа является то, что он занимает в эфире две полосы частот, а это ухудшает его электромагнитную совместимость с другими средствами связи.

Заявляемое устройство направлено на улучшение электромагнитной совместимости с себе подобными устройствами и с другими средствами связи.

Приемопередатчик радиолинии локальной вычислительной сети содержит последовательно соединенные передатчик 2, антенный переключатель 3 и антенну 4, а также источник питания 1 и приемник 6, схему вычитания 9, коммутатор 7 и схему защиты приемника 8, причем первый вход схемы защиты приемника 8 подключен к второму плечу антенного переключателя 3, выход схемы защиты приемника 8 соединен с входом приемника 6, выход приемника 6 подключен к первому входу схемы вычитания 9, выход коммутатора 7 подключен к входу передатчика 2, источник питания 1 подключен к первому входу коммутатора 7, вторые входы коммутатора 7, схемы защиты приемника 8 и схемы вычитания 9 соединены вместе и являются входом приемопередатчика, а выход схемы вычитания 9 является выходом приемопередатчика (см. фиг. 2).

Улучшение электромагнитной совместимости заявляемого устройства обусловлено тем, что оно занимает одну и ту же полосу частот для передачи и приема сигналов. Разделение процессов передачи и приема сообщений осуществляется во времени.

Заявляемое устройство в совокупности всех существенных признаков предназначено для работы в высокопотенциальных (с большим отношением мощности передатчика к чувствительности приемника) линиях связи с множественным доступом к среде передачи данных с контролем несущей и обнаружением конфликтов (CSMA/CD - Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). В частности, для работы в линиях связи стандарта IEEE 802.3 на основе витых пар 10BaseT (см. Стэн Уатт. Мир компьютерных сетей. Пер. с англ. - К. BHV, 1996 288 с.).

Метод CSMA/CD предусматривает следующий порядок обмена: если рабочая станция хочет воспользоваться каналом для передачи данных, она сначала должна проверить состояние канала; начинать передачу станции может только в том случае, если канал свободен. В процессе передачи станция продолжает прослушивание канала для обнаружения возможных конфликтов. В случае появления сигнала на выходе приемника во время передачи интерфейсная плата (в состав заявляемого устройства не входит) регистрирует конфликт и станция прекращает передачу. Принимающая станция, как правило, отбрасывает частично принятое сообщение. Передающие станции возобновляют передачу через различные случайные промежутки времени. Протяженность передачи ограничена как сверху, так и снизу, т. е. передача информации происходит порциями - пакетами, длина которых заранее оговорена.

Передача сообщений осуществляется двухуровневым кодом "Манчестер - 2" (См. Бертсекас Д., Галлагер Р. Сети передачи данных; Пер. с англ. - М.: Мир, 1989, 544 с.).

Место заявляемого устройства в локальной вычислительной сети (ЛВС) из двух рабочих станций иллюстрирует фиг. 3, где антенны условно вынесены из приемопередатчиков.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Передатчик может быть выполнен, например, на основе диода Ганна (Гассанов Л.Г. и др. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. - М.: Радио и связь, 1988. - 288 с). При поступлении на передатчик напряжения питания он генерирует СВЧ-излучение, которое через антенный переключатель поступает на антенну и излучается в направлении второй станции. Антенный переключатель может быть выполнен, например, на основе поляризационного разделителя или ферритового циркулятора. В качестве антенны может быть использована рупорная, зеркальная параболическая или другая антенна. При использовании в качестве антенного переключателя поляризационного разделителя антенна должна быть всеполяризованной. (Справочник по радиорелейной связи. /Под ред. С.В. Бородича. М.: Радио и связь, 1981, с. 71-72).

Напряжение питания поступает на передатчик через коммутатор, который управляется сигналом, поступающим на вход приемопередатчика с интерфейсной платы. С интерфейсной платы на вход передатчика поступает двухуровневый код, содержащий передаваемую информацию. Коммутатор работает таким образом, что подключает источник питания к передатчику в момент, когда на его управляющем входе присутствует верхний уровень кода, и отключает источник питания от передатчика на то время, когда на его управляющем входе присутствует нижний уровень кода. Коммутатор может быть выполнен, например, на основе транзисторного ключа или эмиттерного повторителя. Работу передатчика иллюстрируют осциллограммы, приведенные на фиг. 4.

Поскольку плечи антенного переключателя имеют конечную развязку, часть излучения передатчика поступает на вход приемного канала приемопередатчика, а именно - на вход схемы защиты приемника. Т.к. приемник настроен на ту же частоту, что и передатчик, если бы отсутствовала схема защиты приемника и схема вычитания (как это имеет место в прототипе), сигнал собственного передатчика поступил бы на выход приемопередатчика, интерфейсная плата зафиксировала бы коллизию и дальнейшая передача стала бы невозможной.

Назначение схемы защиты приемника - подавить излучение собственного передатчика в момент его работы. Схема защиты приемника может быть выполнена на основе, например, переключательных или ограничительных полупроводниковых диодов, вмонтированных во входной волновод приемника (см. Гусятинер М.С., Горбачев А. И. Полупроводниковые сверхвысокочастотные диоды. - М.: Радио и связь, 1983 с. 224). В общем случае предполагается, что схема защиты приемника подавляет сигнал собственного передатчика не полностью, а только в такой степени, что приемник не входит в глубокое насыщение, существенно искажающее форму принимаемого сигнала.

Приемник заявляемого устройства представляет собой последовательно соединенные аналоговую часть и схему квантования. Аналоговая часть приемника может быть выполнена как по схеме прямого усиления, так и по супергетеродинной схеме. (Радиоприемные устройства. /Под ред. В.И. Сифорова. М.: Сов. радио, 1974, с. 560). Выход схемы квантования является выходом приемника.

Схема квантования может быть выполнена, например, на основе компаратора. Когда сигнал на выходе аналоговой части приемника ниже некоторого фиксированного уровня, сигнал на выходе схемы квантования принимает нижний уровень, когда сигнал на выходе аналоговой части приемника превышает фиксированный уровень, сигнал на выходе схемы квантования принимает верхний уровень.

Таким образом на выходе приемника восстанавливается цифровой двухуровневый код, передаваемый вторым приемопередатчиком линии связи, если в это время не работает собственный передатчик. Если передатчик второй станции не работает, а работает собственный передатчик, на выходе приемника восстанавливается цифровой код, передаваемый собственным передатчиком. Если одновременно работают оба передатчика (в соответствии с терминологией стандарта IEEE 802.3 - конфликт в канале связи), сигнал на выходе приемника принимает верхний уровень в те моменты времени, когда на входе приемника присутствует сигнал хотя бы одного передатчика, либо сигналы обоих передатчиков одновременно, и сигнал на выходе приемника принимает нижний уровень, когда на входе приемника сигналы отсутствуют. Подобная ситуация отображена на осциллограммах на фиг. 4.

В случае возникновения конфликта сигнал на выходе приемника не является цифровым кодом, представляет собой некоторую "сумму" двух кодовых последовательностей. Извлечь из этой "суммы" закодированную информацию невозможно. Можно извлечь только информацию о наличии конфликта в канале связи. В заявляемом устройстве это делается с помощью схемы вычитания.

Схема вычитания представляет собой логическое двухуровневое устройство, сигнал на выходе которого может принимать два уровня - верхний и нижний. Если обозначить верхний уровень сигналов как 1, а нижний уровень как 0, то алгоритм работы схемы вычитания можно описать следующим образом:
Сигнал на первом входе (выход приемника) 0 1 1 0
Сигнал на втором входе (передав. сообщение) 0 0 1 1
Сигнал на выходе 0 1 0 0
Схема вычитания может быть выполнена, например, на основе логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. - Челябинск: Металлургия, 1988, с. 352).

Схема вычитания работает следующим образом.

Когда работает второй передатчик, а собственный передатчик не работает, схема вычитания повторяет принимаемый приемником цифровой код и передает его на вход интерфейсной платы. Происходит нормальный прием информации с второй станции линии связи.

Когда работает собственный передатчик, а передатчик второй станции не работает, на выходе схемы вычитания сигнал отсутствует. Происходит нормальная передача информации на вторую станцию.

Когда в канале связи возникает конфликт, т.е. обе станции пытаются одновременно передать сообщения и соответственно работают оба передатчика, на выходе схемы вычитания присутствует сигнал, являющийся некоторой "разницей" двух кодовых последовательностей (см. фиг. 4). Эта разница не является цифровым кодом, из нее нельзя извлечь информацию. Однако, в соответствии со стандартом IEEE 802.3, интерфейсная плата определяет конфликт в канале при наличии на своем входе любого сигнала в момент передачи. Происходит обнаружение интерфейсной платой конфликта и прекращается передача данных. Аналогичная ситуация возникает на второй станции. В соответствии с методом доступа к каналу CSMA/CD станции возобновляют попытки передачи информации через некоторые случайные промежутки времени.

Если обозначить: α₁ - развязка между приемником и передатчиком в антенном переключателе (в дБ); α₂ - подавление сигнала собственного передатчика в схеме защиты приемника (в дБ); α - отношение чувствительности приемника к мощности передатчика (в дБ), то при соблюдении условия:
α₁+α₂< α,
заявляемое устройство применяется в совокупности всех существенных признаков. Это соответствует ситуации, когда для обеспечения необходимой дальности связи отношение мощности передатчика к чувствительности приемника делается большим и антенный переключатель и схема защиты приемника не полностью подавляют сигнал собственного передатчика.

В ситуации, когда
α₁+α₂≥ α,
т.е. антенный переключатель и схема защиты приемника полностью подавляют сигнал собственного передатчика, необходимость в схеме вычитания отпадает. Структурная электрическая схема заявляемого устройства для такой ситуации приведена на фиг. 5.

Работает устройство при этом следующим образом. В процессе передачи информации сигнал собственного передатчика на вход своего приемника и соответственно на вход интерфейсной платы не поступает. Происходит нормальная передача информации. При возникновении коллизии сигнал передатчика второй станции частично проходит схему защиты приемника и поступает на вход интерфейсной платы, которая обнаруживает конфликт и останавливает передачу. Прохождение сигнала передатчика второй станции через схему защиты приемника обусловлено тем, что кодовые последовательности, поступающие на передатчики, несинхронны и различны и обязательно возникают ситуации, когда собственный передатчик не излучает (в это время схема защиты приемника не подавляет поступающий на нее сигнал), а сигнал второго передатчика поступает (см. фиг. 4).

В низкопотенциальных линиях связи, когда отношение α невелико, возможно также использование заявляемого устройства в еще одной сокращенной совокупности существенных признаков. Если подавление сигнала собственного передатчика в антенном переключателе велико до такой степени, что не происходит существенного искажения его формы в приемнике за счет глубокого насыщения, может быть исключена схема защиты приемника, а оставлена в устройстве схема вычитания. Структурная электрическая схема заявляемого устройства для этого случая приведена на фиг. 6.

Работа устройства при этом аналогична работе устройства в полной совокупности существенных признаков. Отличие заключается только в том, что сигнал с антенного переключателя поступает непосредственно на вход приемника.

Приемопередатчик радиолинии локальной вычислительной сети предназначен для использования в цифровых линиях связи. Приемопередатчик радиолинии локальной вычислительной сети содержащий последовательно соединенные передатчик, антенный переключатель и антенну, а также источник питания и приемник, отличающийся тем, что в него введены схемы вычитания, коммутатор и схема защиты приемника, причем первый вход схемы защиты приемника подключен ко второму плечу антенного переключателя, выход схемы защиты приемника соединен с входом приемника, выход приемника подключен к первому входу схемы вычитания, выход коммутатора подключен ко входу передатчика, источник питания подключен к первому входу коммутатора, вторые входы коммутатора, схемы защиты приемника и схемы вычитания соединены вместе и являются входом приемопередатчика, а выход схемы вычитания является выходом приемопередатчика. Техническим результатом является улучшение электромагнитной совместимости с себе подобными устройствами и с другими средствами связи. 6 ил.

Приемопередатчик радиолинии локальной вычислительной сети, содержащий последовательно соединенные передатчик, антенный переключатель и антенну, а также источник питания и приемник, отличающийся тем, что в него введены схема вычитания, коммутатор и схема защиты приемника, причем первый вход схемы защиты приемника подключен к второму плечу антенного переключателя, выход схемы защиты приемника соединен с входом приемника, выход приемника подключен к первому входу схемы вычитания, выход коммутатора подключен к входу передатчика, источник питания подключен к первому входу коммутатора, вторые входы коммутатора, схемы защиты приемника и схемы вычитания соединены вместе и являются входом приемопередатчика, а выход схемы вычитания является выходом приемопередатчика.