АСИНХРОННАЯ СИСТЕМА СВЯЗИ С ШИРОКОПОЛОСНЫМИ СИГНАЛАМИ Российский патент 1999 года по МПК H04B7/26 

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для повышения помехоустойчивости к структурным помехам в асинхронно-адресных системах с широкополосными сигналами.

Известны асинхронно-адресные системы связи с частотно-временным кодированием, основанные на кодах с постоянным весом, использующие относительно короткие импульсы (монография А.Р. Лифшица, А.П. Биленко "Многоканальные асинхронные системы передачи информации", "Связь", М., 1974, стр. 5-13),
Известна система, описанная в монографии Р.И. Семенова, А.А. Сикарева "Широкополосная радиосвязь", Москва, "Воениздат", 1970, стр. 240. Данная система с кодированием по принципу частотно-временной матрицы обеспечивает возможность свободного доступа абонентов, работающих в условиях большого разброса мощности принимаемых сигналов.

Однако подобные системы не нашли широкого практического применения из-за ограничений, накладываемых на пиковую мощность передающих устройств, а также недостаточной помехоустойчивости и защищенности связи.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является аппаратура для передачи дискретной информации по а.с. 300946 H 03 C 3/40, принятая за прототип.

Блок-схема прототипа приведена на фиг. 1, где обозначено:
1 - генератор несущей и тактовой частот (ГНТЧ);
2 - формирователь ортогональной псевдослучайной последовательности (ФОПСП);
3 - генератор псевдослучайной последовательности (ГПСП);
4 - устройство фазирования;
5, 6 - умножители (фазовые манипуляторы на 0; п);
7 - фазовращатель на 90^o (ФВ);
8 - фазовый манипулятор (ФМ);
9 - схема сложения;
10, 11 - умножители (фазовые демодуляторы, осуществляющие "свертку" ШПС - снятие ПСП);
12 - формирователь ортогональной псевдослучайной последовательности (ФО ПСП);
13 - генератор опорной и псевдослучайной последовательности (ГО ПСП);
14 - устройство фазирования (УФ);
15 - устройство синхронизации (УС);
16, 17 - полосовые фильтры (ПФ);
18 - фазовый детектор (ФД),
Передатчик содержит ГНТЧ 1, выход которого через последовательно соединенные ФО ПСП 2, умножитель 5 соединен с одним из входов схемы сложения 9 и одновременно - через последовательно соединенные ГПСП 3 и умножитель 6 - с другим входом схемы сложения 9, выход которого является выходом передатчика.

Выходы устройства фазирования 4 соединены с соответствующими входами ФО ПСП 2 и ГПСП 3. Другой выход ГНТЧ 1 одновременно соединен с соответствующими входами ФВ7 и ФМ8, выходы которых соединены с соответствующими входами умножителей 5 и 6.

Приемник содержит умножитель 10, выход которого через полосовой фильтр 16 соединен с одним из входов ФД 18, выход которого является выходом приемника. Выход умножителя 11 через ПФ 17 соединен с другим входом ФД 18. Выход УФ 14 через ФО ПСП 12 соединен с другим входом умножителя 10, Другой выход УФ 14 через ГОПСП 13 соединен с другим входом умножителя 11. Входы умножителей 10 и 11, устройства синхронизации 15 объединены и являются входом приемника. Выход УС 15 соединен одновременно с соответствующими входами ФО ПСП 12 и ГОПСП 13.

Устройство-прототип работает следующим образом.

В передатчике ГНТЧ 1 формирует две частоты: тактовую частоту для ФОПСП 2 и ГПСП 3 и несущую частоту сигнала. Тактовая частота с выхода ГНТЧ 1 поступает на вход ФОПСП 2 и ГПСП 3, которые вырабатывают двоичные псевдослучайные последовательности. Эти последовательности представляют собой совокупность биполярных импульсов постоянного тока одинаковой величины и длительности, которая определяется величиной тактовой частоты.

УФ 4 устанавливает сдвиговые регистры ФОПСП 2 и ГПСП 3 в одинаковые начальные состояния, что обеспечивает связь по фазе их псевдослучайных последовательностей. УФ 4 содержит дешифраторы начальных состояний ФОПСП 2 и ГПСП 3, и импульсную схему фазирования, которая обеспечивает совмещение их начальных состояний по фазе.

Псевдослучайная последовательность с выхода ФОПСП 2 поступает на умножитель 5. На второй вход УМ 5 через ФВ 7 с выхода ГНТЧ 1 поступает колебание несущей частоты, которое в УМ 5 умножается на псевдослучайную последовательность. В результате на выходе УМ 5 образуется сигнал, представляющий собой колебание несущей частоты с постоянной амплитудой, манипулированное по фазе на 180^o по закону псевдослучайной последовательности (ПСП). ПСП с выхода ГПСП 3 поступает на УМ 6, на второй вход которого через ФМ 8 с выхода ГНТЧ 1 поступает колебание несущей частоты. На выходе УМ 6 образуется сигнал, представляющий собой колебание несущей частоты с постоянной амплитудой, манипулированное по фазе на 180^o по закону ПСП. В зависимости от знака передаваемой информации ФМ 8 осуществляет поворот фазы несущей частоты сигнала на выходе УМ 6 относительно несущей частоты сигнала на входе УМ 5 на 0 и 180^o.

Т.о. в зависимости от знака передаваемой информации несущие частоты этих сигналов сдвинуты между собой по фазе.

С выходов УМ 5 и 6 сигналы поступают на схему сложения 9, которая образует выходной сигнал передатчика, представляющий собой колебание несущей частоты с постоянной амплитудой, манипулированное по фазе на 0^o, 90^o, 180^o, 270^o, причем моменты манипуляции и порядок следования этих величин фаз определяются соотношением знаков элементов псевдослучайных последовательностей ФОПСП 2 и ГПСП 3 и передаваемой разностью фаз.

Со схемы сложения 9 сигнал поступает в высокочастотный передатчик и излучается в эфир.

Принимаемый сигнал с выхода высокочастотного приемника поступает на УМ 10 и 11, аналогичные УМ 5 и 6 передатчика.

В УМ 10 принимаемый сигнал умножается на ПСП, которую вырабатывает ФОПСП 12, аналогичный ФОПСП 2 передатчика.

Сигнал с выхода УМ 10 поступает на ПФ 16, который выделяет колебание несущей частоты сигнала.

В УМ 11 принимаемый сигнал умножается на ПСП, которую формирует ГОПСП 13, аналогичный ГПСП 3 передатчика. Сигнал с выхода УМ 11 поступает на ПФ 17, который выделяет манипулированное по фазе колебание несущей частоты сигнала. УФ 14, аналогичное УФ 4 передатчика, обеспечивает связь по фазе выходных последовательностей ФОПСП 12 и ГОПСП 13 соответствующую по фазе последовательностей ФОПСП 2 и ГПСП 3 передатчика.

ПСП, вырабатываемые генераторами в приемнике, синхронизируются с ПСП принимаемого сигнала с помощью УФ 15.

В качестве УФ используются известные устройства синхронизации, обеспечивающие синхронизм местных сигналов приемника с принимаемым сигналом на основе анализа функции взаимной корреляции принимаемого и местных сигналов.

Колебания несущей частоты с выходов ПФ 16 и 17 поступают на ФД 18, который измеряет информационную разность фаз между ними.

Ширина полосы ПФ 16 и 17 выбирается равной эффективной ширине спектра сообщения с запасом на нестабильность несущей частоты>
Недостатком прототипа является низкая помехоустойчивость к структурным помехам.

Указанный недостаток устраняется за счет того, что в систему связи, содержащую передатчик и приемник, содержащий устройство синхронизации (УС), выход которого через формирователь ортогональной псевдослучайной последовательности (ФОПСП) и генератор опорной псевдослучайной последовательности (ГОПСП) соединен со входами обоих перемножителей, другие входы которых соединены со входом УС, выходы перемножителей через соответствующие полосовые фильтры (ПФ) соединены с соответствующими входами фазового детектора (ФД), выход которого является выходом приемника, выходы устройства фазирования соединены с другими входами ФОПСП и ГОПСП соответственно, введены N приемников центральной станции (ЦС) и N абонентских станций. При этом каждый приемник ЦС содержит блок подавления структурных помех (БПСП), формирователь опорного сигнала (ФОС), формирователь сигнала обнаружения помех (ФСОП), причем вход приемника является входом БПСП, выход которого соединен с общей точкой входов обоих перемножителей и УС; другие входы БПСП данного приемника соединены с соответствующими выходами ОС и СОП других (N-1) приемников ЦС; выходы ФОС данного приемника ЦС соединены с соответствующими входами ОС других (N-1) приемников, выходы ПФ и выход УС соединены со входами ФСОП, выход которого соединен со входом ФОС и входами СОП (N-1) приемников ЦС.

Структурная схема устройства приведена на фиг, 2, где использованы следующие обозначения:
ПРД - передатчик центральной станции;
ПРМ₁ - 1-й приемник центральной станции;
ПРМ_N - N-й приемник базовой станции;
АС₁ - 1-я абонентская станция;
АС_N - N-я абонентская станция;
1 - блок подавления структурных помех (БПСП);
2 - устройство синхронизации (УС);
3, 4 - умножители (УМ) (фазовые демодуляторы, перемножители);
5 - формирователь ортогональной псевдослучайной последовательности (ФОПСП);
6 - генератор опорной псевдослучайной последовательности (ГОПСП)
7 - устройство фазирования (УФ);
8,9 - полосовой фильтр (ПФ);
10 - фазовый детектор (ФД);
11 - формирователь опорного сигнала (ФОС);
12 - формирователь сигнала обнаружения помехи (ФСОП).

Заявляемая система связи содержит одну центральную станцию (ЦС) и N абонентских станций (АС₁. .. АС_N). ЦС содержит один передатчик (ПРД) и N приемников ФМ ШПС (ПРМ₁... ПРМ_N), каждый из которых принимает сигнал от своего абонента широкополосных фазоманипулированных приемников (ФМ ШПС).

ПРД аналогичен передатчику прототипа.

Каждая АС содержит передатчик и приемник, аналогичные прототипу.

Каждый приемник ЦС содержит последовательно соединенные блок подавления структурных помех 1, УС 2, ФОПСП 5, УМ 3, ПФ 8, ФД 10, выход которого является выходом информации.

Общая точка выхода БПСП 1 и входа УС 2 соединена одновременно со входами УМ 3 и УМ 4, выходы которых через ПФ 8 и ПФ 9 соединены с соответствующими входами ФД 10.

Один выход Уф 7 через ФОПСП 5 соединен с одним из входов УМ 3 и ФОС 11. Другой выход УФ 7 через ГОПСП 6 соединен с одним из входов УМ 4 и ФОС 11. Общая точка выхода УС 2 и входа ФОПСП 5 соединена одновременно со входом ГОПСП 6 и одним из входов ФСОП 12, два других входа которого соединены одновременно с общими точками выхода ФД 10 и входа ПФ 8 и ПФ 9 соответственно. Выход ФСОП 12 соединен одновременно с одним из входов ФОС 11 и соответствующими входами (N-1) других приемников ЦС. Выходы ФОС 11 соединены с соответствующими входами других (N-1) ПРМ ЦС (ПРМ₂... ПРМ_N).

Предлагаемая система работает следующим образом.

ПРД ЦС может передавать АС информацию в циркулярном или адресном режимах. АС могут отвечать ЦС как одновременно, так и по очереди. При этом число одновременно работающих АС может изменяться от 1 до N. Сигнал каждого из АС предназначен для одного конкретного приемника. Так АС₁ передает сигнал ПРМ₁, АС_N передает сигнал ПРМ_N, при этом для каждого ПРМ сигнал от своей АС является полезным, а от других (N-1)-го мешающими.

В системе используется широкополосные фазоманипулированные сигналы (ФМ ШПС). Передатчики АС работают на одной общей несущей частоте и используют разные структуры ПСП. Каждый из N приемников ЦС принимает ШПС от конкретного передатчика АС и имеет опорную ПСП, совпадающую по структуре с ПСП передатчика.

В ПРМ₁ на первые N входы (1₁...1_N) подаются сигналы об обнаружении помех (СОП) от других ПРМ (ПРМ₂. ..ПРМ_N), на вторые N входы (2₁...2_N) подаются опорные сигналы (ОС) от 2,3. .N-го приемников. На 3-й вход ПРМ поступает входная смесь. Аналогично на все третьи входы всех ПРМ подается входная смесь, на первые (N-1) входов ПРМ₂ подаются команды "СОП" от 1-го, 3-го... N-то приемника. На вторые (N-1) входы подаются сигналы ОС от 1-го, 3-го... N-го приемников. На 1-е входы ПРМ_N подаются СОП от 1...(N-1)-го приемников, на 2-е входы ОС от 1...(N-1)-го приемников. С использованием опорных сигналов в блоке 1 из входной смеси режектируются мощные структурные помехи. С выхода блока 1 сигнал подается одновременно на УМ 3 и УМ 4 и на устройство синхронизации (УС) 2.

В УМ 3 принимаемый сигнал умножается на ПСП, (манипулируется по фазе на 0, π), которую вырабатывает ФОПСП 12, аналогичный ФОПСП передатчика.

Сигнал с выхода УМ 3 поступает на ПФ 8, который выделяет колебание несущей частоты сигнала. В УМ 4 принимаемый сигнал умножается на ПСП (манипулируется по фазе на 0, π ), которую формирует ГОПСП 6, аналогичный используемому в передатчике, УМ 3 и УМ 4 выполняют функции демодулятора, в котором осуществляется свертка ШПС.

Сигнал с выхода УМ 4 поступает на ПФ 9, где выделяет манипулированные по фазе информацией колебания несущей частоты сигнала, УФ 7, аналогичный УФ передатчика, обеспечивает связь по фазе ФОПСП5 ГОПСП6, соответствующую связи по фазе соответствующих ПСП передатчика.

ПСП, вырабатываемые генераторами в приемнике, синхронизируются с ПСП принимаемого сигнала с помощью УС 2. В качестве УС используются известные устройства синхронизации, обеспечивающие синхронизм местных сигналов приемника с принимаемым сигналом на основе анализа функций взаимной корреляции принимаемого и местного сигналов.

Колебания несущей частоты с выходов ПФ 8 и ПФ 9 поступают на ФД10, с выхода которого выделенный информационный сигнал поступает на выход устройства.

С выходов ПФ 8 и ПФ 9 узкополосные сигналы подаются на ФСОП 12, где производится измерение их уровня, сравнение с порогом.

В случае превышения заданного порога и наличия синхронизации в УС 2 блок 12 выделяет сигнал об обнаружении помехи (СОП), который свидетельствует о том, что принят сигнал большого уровня (от близко расположенного АС), который создает помеху для других ПРМ. СОП в виде команды ("0" или "1") с 5-го выхода ПРМ₁ подается на входы ПРМ₂...ПРМ_N, аналогично с выхода 5 ПРМ₂, он подается на входы ПРМ₁, ПРМ₃...ПРМ_N и т.д.

Одновременно СОП подается на ФОС 11.

При поступлении команды "СОП" блок 11 с использованием ПСП, поступающих с выхода блоков 5 и 6, формирует опорный сигнал (ОС), соответствующий принятому сигналу большого уровня, который с выхода 4 подается на все другие ПРМ.

Т.о. при обнаружении мощного сигнала в каком-либо приемнике на все остальные приемники ЦС подается ОС, соответствующий этому мощному сигналу, и команда СОП об обнаружении этого сигнала.

Во всех остальных приемниках с использованием этих сигналов СОП и ОС в блоке подавления структурных помех 1 осуществляется режекция этой мощной помехи из входной смеси.

В том случае, если обнаружены несколько мощных сигналов, принятых соответствующими ПРМ, они будут также рассматриваться как помеха для остальных ПРМ.

Соответствующие ОС и команды СОП поступают на первые и вторые входы остальных приемников и режектируются в их БПСП1.

Структурная схема блока 1 (для ПРМ₁) приведена на фиг. 3, где использованы следующие обозначения:
31, 33 - перемножитель (фазовые демодуляторы),
32 - режекторный фильтр (РФ),
34 - коммутатор,
35 - сумматор,
36 - схема "ИЛИ",
37-39 - элементы задержки,
40 - аттенюатор,
41 - полосовой фильтр (ПФ) для выделения полезного ШПС. Блоки 1 для других ПРМ имеют аналогичную структуру и отличаются номерами входных сигналов.

БПСП 1 содержит последовательно соединенные перемножитель 31, РФ 32, перемножитель 33, ПФ 40, аттенюатор 41, коммутатор 34, выход которого является выходом блока 1. Входы перемножителя 31 и элемента задержки 39 объединены и являются входом блока 1. Выход элемента задержки 39 соединен с соответствующим входом коммутатора 34, Выход каждого элемента задержки 37₁.. . 37_n через сумматор 35 соединен с другим входом перемножителя 31 и одновременно через элемент задержки 38 - с другим входом перемножителя 33. Выход схемы "ИЛИ" 36 соединен с одним из входов коммутатора 34. Входы блоков 36 и 35 соединены соответствующими выходами других ПРМ.

Блок 1 для БПСП1 работает следующим образом.

Входная смесь поступает через элемент задержки 39 на один вход коммутатора 34, а на другой его вход - через последовательно соединенные перемножитель 31, РФ 32, перемножитель 33, ПФ 40, аттенюатор 41.

На 2-й вход перемножителя 31 поступают опорные сигналы от тех приемников, которые вошли в синхронизм 4, в которых уровень сигнала превысил допустимое значение. При совпадении входных и опорных ШПС осуществляется свертка мешающих ШПС от других АС в узкополосные сигналы, которые режектируются в РФ 32, Полоса РФ 32 ( Δ F) определяется информационной скоростью передачи сообщения.

Учитывая где Б - база ШПС. Δf_ш - полоса ШПС, получаем при Б=10³ потери мощности полезного сигнала при прохождении через блок 1 будут меньше одной тысячной доли входной мощности. Перемножители 31,33 могут быть выполнены так, как это показано в монографии Г.И. Тузова "Статистическая теория приема сложных сигналов", Москва, Сов. радио, 1977, стр. 52.

Структурная схема блока 11 для ПРМ₁ приведена на фиг. 4, где обозначено:
41 - генератор частоты гетеродина (ГЧГ),
42,43 - умножитель (фазовый манипулятор на 0, π ),
44 - фазовращатель на 90^o,
45 - сумматор,
46 - ключ.

Блоки 11 для разных ПРМ отличаются только номерами выходных сигналов.

Формирование сигнала в блоке 11 осуществляется аналогично формированию в ПРД с использованием синфазного и квадратурного каналов, в перемножителях 42, 43, в которых осуществляется манипуляция по фазе частоты гетеродина, формируемой в блоке 41 по закону ПСП, поступающих от блоков 5 и 6. Синфазные и квадратурные сигналы суммируются в блоке 45. Суммарный сигнал подается на выход блока 11 через ключ 46, управляемый командой "СОП", формируемой блоком 12. Блок 44 обеспечивает поворот фазы на 90^o.

Структурная схема ФСОП 12 для ПРМ₁ приведена на фиг. 5, где обозначено:
51 - детектор (амплитудный),
52 - пороговое устройство,
53 - схема "ИЛИ",
54 - схема "И".

Блоки 12 для других ПРМ отличаются номерами выходных сигналов.

Сигналы с выходов блоков 8 и 9 детектируются в блоках 51₁ и 51₂, сравниваются с фиксированным порогом в блоках 52₁ и 52₂, Команды о превышении "1" или непревышении "0" порога поступают на схему "ИЛИ" 53 С выхода блока 53 сигнал поступает на схему "И" 54, куда подается также команда об установлении синхронизма с выхода УС 15. Т.о., если превышен хотя бы один из порогов и имеется наличие синхронизма в УС 15, блок 12 выдает команду "СОП", которая передается на входы других (N-1)-го ПРМ ЦС.

Прототип имеет низкую помехоустойчивость к структурным помехам, определяемую базой Б используемого ШПС.

Действительно, в соответствии с монографией "Шумоподобные сигналы в системах передачи информации" под ред. В.Б. Пестрякова, М., "Сов. радио", 1969 при воздействии на приемник ШПС одной структурной помехи допустимое превышение помехи над сигналом определяется

Так, при Б=10³ допустимое превышение помехи над сигналом при воздействии одной помехи не превышает 20 дБ. При воздействии нескольких мешающих сигналов допустимое превышение помехи над сигналом, т.е. динамический диапазон системы еще меньше.

В предлагаемой системе связи на входе приемников ЦС осуществляется режекция сигналов от близко расположенных АС, уровень которых превышает допустимое значение, определяемое базой ШПС. За счет этого исключается мешающее влияние мощных сигналов АС на прием сигналов от удаленных абонентов. Степень подавления структурных помех в данном случае определяется качеством выполнения режекторного фильтра в блоке 1 и может составлять 70 - 80 дБ.

Соответственно в этом случае и динамический диапазон системы может составлять 70 - 80 дБ, что значительно выше, чем у прототипа.

Устройство относится к области радиосвязи и может быть использовано для повышения помехоустойчивости к структурным помехам в асинхронно-адресных системах с широкополосными сигналами. Технический результат - повышение помехоустойчивости к структурным помехам. Асинхронная система связи содержит одну центральную станцию с передатчиком и N приемниками и N абонентских станций. Каждый из приемников центральной станции содержит блок подавления структурных помех, в котором осуществляется режекция мощной помехи из входной смеси. 5 ил.

Асинхронная система связи с широкополосными сигналами, состоящая из N абонентских станций и одной центральной станции, включающей N приемников, отличающаяся тем, что каждый приемник содержит блок подавления структурных помех, предназначенный для приема сигналов об обнаружении помех и опорных сигналов от других приемников, и приема входной смеси, выход которого соединен с входом каждого из двух умножителей и входом устройства синхронизации, выход которого соединен с входом формирователя ортогональной псевдослучайной последовательности и входом генератора опорной псевдослучайной последовательности, выходы которых подключены к другим входам соответствующих умножителей, выходы которых через соответствующие полосовые фильтры соединены с входами фазового детектора, выход которого является выходом приемника, устройство фазирования, выходы которого подключены соответственно к другим входам формирователя ортогональной псевдослучайной последовательности и генератора опорной псевдослучайной последовательности, а выходы соединены с соответствующими входами формирователя опорного сигнала, выход которого предназначен для передачи опорного сигнала на другие приемники, формирователь сигнала обнаружения помехи, входы которого соединены соответственно с выходами устройства синхронизации и полосовых фильтров, а выход с входом формирователя опорного сигнала и предназначен для передачи обнаружения помехи на другие приемники.