СИСТЕМА СВЯЗИ С ВЫСОКОЙ СКОРОСТЬЮ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫМИ СИГНАЛАМИ Российский патент 2015 года по МПК H04B7/00 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к скоростным системам радиосвязи, использующим импульсные сверхширокополосные (СШП) сигналы, у которых рабочая полоса частот и средняя частота сигнала соизмеримы.

Наиболее эффективное повышение скорости передачи информации во многих известных системах с импульсными сигналами достигается частотной избыточностью, присущей сигналам со сверхширокой полосой частот. Однако в условиях воздействия интенсивных помех естественного и преднамеренного характера, частотная избыточность приводит к росту вероятности поражения помехами рабочей полосы частот СШП системы связи. Использование в этих системах связи таких методов, как повторный вызов, введение избыточности в передаваемую информацию, применение различных способов накопления энергии сигнала не дают положительного эффекта, существенно снижая скорость передачи информации.

Системы связи с применением СШП сигналов известны и описаны. В основе таких систем связи лежит концепция применения СШП импульсных сигналов с малой длительностью. За счет уменьшения длительности излучаемого импульса появляется возможность при распространении сигнала эффективно бороться с интерференцией и переотражением сигналов, вызванными предметами, находящимися на линии прямой видимости между передатчиком и приемником информации.

Известна система связи с высокой скоростью передачи информации сверхширокополосными сигналами (см. патент РФ №2315424 от «Система связи с высокой скоростью передачи информации сверхширокополосными сигналами», МПК H04B 1/69, H04L 5/26, опубл. 06.06.2006]. В данном устройстве передатчик излучает в свободное пространство сложный сигнал, состоящий из импульсного СШП сигнала и узкополосного гармонического сигнала, частота которого расположена ниже границы рабочей полосы СШП сигнала. Узкополосный сигнал служит для осуществления быстрого поиска сигнала и установления синхронизации системы связи. При наличии синхронизации приемник принимает СШП сигнал на основе порогового сравнения сигнального и шумового каналов в каждом временном окне, немного превышающем по длительности элементарный импульс входного СШП сигнала.

Недостатком устройства является то, что при работе устройства в условиях прохождения сигнала через препятствия и перегородки, в которых окна «радиопрозрачности» (т.е. участок рабочего диапазона частот с меньшим затуханием СШП сигнала по сравнению с остальной частью рабочего диапазона частят, занимаемого СШП сигналом) имеют различную протяженность и разное количество, при этом принимаемый СШП сигнал может искажаться так, что на выходе порогового устройства СШП приемника вместо одного импульса сравнения может выделяться два и более импульсов сравнения. Это приводит к сбою синхронизации и увеличению числа ошибок приема информации.

Известна также сверхширокополосная помехоустойчивая система скрытой связи с высокой скоростью передачи данных (см. I.J. Immoreev, А.А. Sudakov, «Ultra-Wideband Interference Resistant System for Secure Radio Communication with fligh Data Rate», ICCSC ′02, St. Petersburg, Russian Federation, June 2002.), являющаяся наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому устройству. Работает известное устройство следующим образом. Информация, поступающая на блок обработки и управления, кодируется в последовательность импульсов, которые через буферное устройство запускают генератор СШП импульсов. Полученный СШП сигнал излучается в эфир. Два канала приемного устройства осуществляют параллельный прием. Один канал служит для приема сигнала, второй - для оценки уровня внешних шумов и сигналов переотражений от препятствий, расположенных на пути распространения СШП сигнала. Основу каждого канала составляет чувствительное пороговое устройство, выполненное на базе ключевых туннельных диодов, предназначенных для работы в диапазоне СВЧ. Прием в сигнальном и шумовом каналах осуществляется в соответствующих временных интервалах (временных окнах). Прием сигнала в окне, длительность которого превышает длительность информационного сигнала на небольшую величину, позволяет обеспечить необходимую помехозащищенность. Сигнал, принимаемый абонентской станцией, после усиления малошумящим усилителем подается через аттенюатор, делитель мощности на чувствительное пороговое устройство канала сигнала и чувствительное пороговое устройство канала шума. С выхода чувствительных пороговых устройств канала сигнала и канала шума сигналы через соответствующие буферные устройства поступают на обработку в цифровой сигнальный процессор (ЦСП) блока обработки и управления. Сигнальный процессор анализирует принимаемый сигнал и принимаемые шумы. Анализ внешнего шума заключается в критерийной обработке сигнала, получаемого в шумовом канале. В зависимости от результатов обработки осуществляется регулировка чувствительности приемника путем подстройки порогов сигнала и шума чувствительными пороговыми устройствами. Регулировка динамического диапазона приемника производится с помощью аттенюатора. По результатам анализа осуществляется также управление работой блока синхронизации. Перед началом работы осуществляется калибровка приемника по внешним шумам. Основные задачи калибровки - установка опорных напряжений, подаваемых на чувствительные пороговые устройства сигнального и шумового каналов. При калибровке уровень порога в сигнальном канале устанавливается выше, чем опорное напряжение в шумовом канале на величину, необходимую для достижения требуемой вероятности ошибки на бит информации. Калибровка осуществляется после включения питания приемника и после потери сигнала в рабочем режиме. После завершения калибровки приемник переходит в режим поиска сигнала. Поиск сигнала - это режим, обеспечивающий вхождение в синхронизм приемника и передатчика системы связи. Передатчик излучает специальный сигнал, который служит для установления связи между ним и приемником. В этом режиме производится поиск сигнального окна приемника сигнала передатчика. Принятый сигнал устанавливается по центру окна. Процедура поиска сигнала осуществляется системой синхронизации и так же, как и калибровка, производится после включения питания приемника и после потери сигнала в рабочем режиме. В рабочем режиме постоянно осуществляется оценка уровня шумов в шумовых окнах. При изменении измеренного уровня шума изменяются значения порогов в шумовом и соответственно сигнальном канале, а также происходит регулировка уровня сигнала входным аттенюатором. Наряду с этим, в рабочем режиме производится постоянное слежение за положением принимаемого сигнала в сигнальном окне. При отклонении положения сигнала от центра окна на заданный минимальный временной интервал, система синхронизации формирует команду на смещение сигнального окна на необходимый временной интервал. В случае потери сигнала (отсутствие импульсов в сигнальном окне) система связи выходит из рабочего режима и переходит в режим калибровки и поиска сигнала.

Как следует из описания работы известного устройства, оно имеет следующий недостаток.

Если на пути распространения СШП сигнала по трассе от передатчика до приемного устройства находятся одно или несколько препятствий (перегородок) с различными окнами «радиопрозрачности», то сигнал претерпевает искажения по форме за счет неодинакового затухания СШП сигнала в рабочем диапазоне частот. В этом случае на выходе порогового устройства канала сигнала может выделится два или более импульсов сравнения (в зависимости от того, сколько раз сигнал превысит установленный порог) на интервале временного окна, что и приводит к ошибке приема информации. Завышением значения порогового напряжения в некоторых случаях можно такую ошибку избежать, однако в этом случае в той же пропорции увеличивается вероятность пропуска сигнала СШП, что недопустимо в подавляющем большинстве случаев применения устройства-прототипа. В случае изменения местоположения одного из абонентов ситуация с прохождением сигнала через препятствия на радиотрассе может как улучшиться, так и еще более ухудшиться. В такой же пропорции вероятность ошибки приема информации будет либо уменьшаться, либо увеличиваться. Например, при средней скорости движения абонента 1-2 км/час, изменения формы принимаемого сигнала будут проходить с интервалом примерно в 10-100 мс, что при информационной скорости 10 кбит/с эквивалентно потере 10²-10³ бит информации. При скорости передачи информации 1 Мбит/с и более (характерной для систем связи с СШП сигналами) ошибочно будут приняты 10⁴-10⁵ бит информации. Если длина пакета информации соизмерима с 10⁴-10⁵ бит, то прием пакета не возможен, поскольку вероятность ошибочного приема информации возрастает на порядок и более.

Задачей изобретения является уменьшение вероятности ошибочного приема информации при работе СШП приемо-передающих средств связи в каналах связи, где на пути распространения сигнала имеются препятствия (перегородки) с частотными окнами «радиопрозрачности».

Технический результат - повышение помехоустойчивости передачи информации в условиях интенсивных помех.

Результат достигается тем, что в системе связи с высокой скоростью передачи информации сверхширокополосными сигналами, содержащей в приемо-передающей части последовательно соединенные переключатель прием/передача, управляющий вход которого присоединен к управляющей шине блока обработки и управления, полосовой фильтр и антенну, в передающей части - последовательно соединенные буферное устройство и генератор сверхширокополосных импульсов, выход которого подключен к сигнальному входу переключателя прием/передача, а вход буферного устройства подключен к выходу блока обработки и управления, а в приемной части - последовательно соединенные малошумящий усилитель, вход которого подключен к выходу переключателя прием/передача, аттенюатор, делитель мощности, первый выход которого подключен к первому входу устройства временного окна канала сигнала, а второй выход делителя мощности подключен к первому входу устройства временного окна канала шума, выход буферного устройства канала сигнала и выход буферного устройства канала шума подключены соответственно к первому и второму входам блока обработки и управления, первый выход блока синхронизации подключен к управляющему входу устройства временного окна канала сигнала, второй выход блока синхронизации подключен к управляющему входу устройства временного окна канала шума, управляющая шина блока обработки и управления подключена к управляющему входу формирователя порогового напряжения канала сигнала и управляющему входу формирователя порогового напряжения канала шума соответственно, а также к управляющему входу блока синхронизации и к управляющему входу аттенюатора, приемная часть дополнительно содержит в канале сигнала последовательно соединенные первый интегратор со сбросом и первую схему сравнения, а в канале шума - последовательно соединенные второй интегратор со сбросом и вторую схему сравнения, при этом, выход первой схемы сравнения соединен с входом буферного устройства канала сигнала, а вход - с выходом формирователя порогового напряжения канала сигнала, выход второй схемы сравнения соединен с входом буферного устройства канала шума, вход второй схемы сравнения соединен с выходом формирователя порогового напряжения канала шума, вход первого интегратора со сбросом соединен с выходом устройства временного окна канала сигнала, а вход второго интегратора со сбросом соединен с выходом устройства временного окна канала шума, управляющий вход первого интегратора со сбросом соединен с первым выходом блока синхронизации и управляющим входом устройства временного окна канала сигнала, а управляющий вход второго интегратора со сбросом соединен с вторым выходом блока синхронизации и управляющим входом устройства временного окна канала шума.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема заявляемой системы связи с высокой скоростью передачи информации сверхширокополосными сигналами.

Система связи в передающей части содержит буферное устройство 1, генератор 2 сверхширокополосных (СШП) импульсов, в приемопередающей части - переключатель 3 прием/передача, полосовой фильтр 4, антенну 5, в приемной части - малошумящий усилитель 6, аттенюатор 7, делитель мощности 8, устройство 9 временного окна канала сигнала, интегратор 10 со сбросом канала сигнала, схему 11 сравнения канала сигнала, буферное устройство 12 канала сигнала, формирователь 13 порогового напряжения канала сигнала, устройство 14 временного окна канала шума, интегратор 15 со сбросом канала шума, схему 16 сравнения канала шума, буферное устройство 17 канала шума, формирователь 18 порогового напряжения канала шума, блок 19 обработки и управления, блок 20 синхронизации.

В приемо-передающей части системы антенна 5 подключена к антенному входу полосового фильтра 4, выход которого подключен к переключателю 3 прием/передача. Передающая часть содержит последовательно соединенные буферное устройство 1 и генератор 2 СШП импульсов, выход которого подключен к сигнальному входу переключателя 3 прием/передача, вход буферного устройства 1 подключен к выходу блока 19 обработки и управления.

Приемная часть содержит последовательно соединенные малошумящий усилитель 6, вход которого соединен с выходом переключателя 3 прием/передача, аттенюатор 7, делитель 8 мощности, первый выход которого подключен к каналу сигнала, состоящего из последовательно соединенных устройства 9 временного окна канала сигнала, интегратора 10 со сбросом канала сигнала, схемы сравнения 11 канала сигнала, буферного устройства 12 канала сигнала; второй выход делителя 8 мощности подключен к каналу шума, состоящего из последовательно соединенных устройства 14 временного окна канала шума, интегратора 15 со сбросом канала шума, схемы сравнения 16 канала шума и буферного устройства 17 канала шума. Выходы буферных устройств 12 канала сигнала и 17 канала шума подключены к первому и второму входам блока 19 обработки и управления. Выходы формирователей 13 порогового напряжения канала сигнала и 18 порогового напряжения канала шума подключены соответственно ко вторым входам схем сравнения 11 канал сигнала и 16 канала шума. Первый выход блока 20 синхронизации подключен к управляющему входу устройства 9 временного окна канала сигнала и управляющему входу интегратора 10 со сбросом канала сигнала; второй выход блока 20 синхронизации подключен к управляющему входу устройства 14 временного окна канала шума и управляющему входу интегратора 15 со сбором канала шума. Управляющая шина блока 19 обработки и управления соединена с управляющими входами формирователей 13 и 16 порогового напряжения канала сигнала и канала шума соответственно, а также с управляющим входом блока 20 синхронизации и с управляющими входами аттенюатора 7 и переключателя 3 прием/передача.

Устройство работает следующим образом.

Информация, поступающая на ввод «Вх/Вых» блока 19 обработки и управления, кодируется в последовательность импульсов, которые через буферное устройство 1 запускают генератор 2 СШП импульсов. СШП импульсы поступают через переключатель 3 прием/передача и полосовой фильтр 4 в антенну 5, которая излучает СШП сигнал в эфир. Два канала приемного устройства осуществляют параллельный прием. Один канал служит для приема сигнала, второй - для оценки среднего уровня внешних шумов и сигналов переотражений от препятствий, расположенных на пути распространения СШП сигнала. Основу каждого канала составляет интегрирующее устройство. В канале сигнала - это интегратор 10 со сбросом, а в канале шума - интегратор 15 со сбросом. Интегратор со сбросом открывается только на время действия временного окна. На интервале длительности временного окна интегратор со сбросом осуществляет интегрирование (накопление) энергии суммарного сигнала в окне. В режиме поиска сигнала в обоих интеграторах 10 и 15 со сбросом осуществляется накопление, т.е. усреднение шумовых помех и паразитных сигналов, действующих в интервале временного окна. В остальное время до действия следующего временного окна интегратор со сбросом разряжен и находится в режиме ожидания. Прием СШП сигнала во временном окне, длительность которого несколько превышает длительность полученного СШП импульса, обеспечивает повышенную помехоустойчивость приема. Сигнал, принимаемый антенной 5, после усиления малошумящим усилителем 6 подается через аттенюатор 7, делитель мощности 8 на входы интеграторов 10 и 15 со сбросом соответственно канала сигнала и канала шума. С выхода интегратора 10 со сбросом канала сигнала и интегратора 15 со сбросом канала шума усредненные значения сигналов поступают на соответствующие входы схемы сравнения 11 канала сигнала и 16 канала шума, где осуществляется сравнение проинтегрированного напряжения с пороговым напряжением, выдаваемым с формирователей 13 и 18 порогового напряжения канала сигнала и канала шума. Результирующее напряжение сравнения с выходом схем сравнения 11 канала сигнала и 16 канала шума поступает на соответствующие входы буферных устройств 12 канала сигнала и 17 канала шума. С выходов буферных устройств 12 канала сигнала и 17 канала шума результирующие напряжения поступают на обработку в цифровой сигнальный процессор (ЦСП) блока 19 обработки и управления. Сигнальный процессор анализирует принимаемый сигнал в канале сигнала и принимаемый шум в канале шума. Анализ внешнего шума заключается в критерийной обработке сигнала, получаемого в канале шума. В зависимости от результатов обработки осуществляется регулировка чувствительности приемного тракта путем изменения уровней пороговых напряжений (порогов), формируемых пороговыми устройствами 13 и 18 и подаваемых на соответствующие входы схем сравнения 11 и 16. По измеренным значениям осуществляется также регулировка динамического диапазона приемного тракта путем изменения уровня усиления тракта с помощью аттенюатора 7. По результатам приема осуществляется также управление работой блока 20 синхронизации. Перед началом работы устройства осуществляется калибровка приемного тракта по внешним шумам. Основные задачи калибровки - установка опорных напряжений (порогов), подаваемых на схемы сравнения 11 и 16 каналов сигнала и шума. При калибровке уровень порога в сигнальном канале устанавливается больше, чем порог в шумовом канале на величину, необходимую для достижения требуемой вероятности ошибки приема информации.

Предлагаемое построение системы связи позволяет уменьшить вероятность ошибочного приема информации в условиях радиотрасс с препятствием (перегородками) с различными окнами «радиопрозрачности», искажающими форму СШП сигнала. Это объясняется тем, что в отличие от прототипа, где прием СШП импульса информации осуществляется по фронту нарастания импульса СШП и сравнения с порогом, в предлагаемом техническом решении прием СШП импульса информации осуществляется по энергии принимаемого СШП импульса во временном окне, что и обеспечивает уменьшение вероятности ошибочного приема информации.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в скоростных системах радиосвязи, использующих импульсные сверхширокополосные сигналы. Технический результат - повышение помехоустойчивости передачи информации в условиях интенсивных помех. Система связи с высокой скоростью передачи информации сверхширокополосными сигналами содержит переключатель «прием/передача», полосовой фильтр, антенну, блок обработки и управления, буферные устройства, генератор сверхширокополосных импульсов, малошумящий усилитель, аттенюатор, делитель мощности, два устройства временного окна, два формирователя порогового напряжения, два интегратора со сбросом, две схемы сравнения, блок синхронизации. 1 ил.

Система связи с высокой скоростью передачи информации сверхширокополосными сигналами, содержащая в приемо-передающей части последовательно соединенные переключатель прием/передача, управляющий вход которого присоединен к управляющей шине блока обработки и управления, полосовой фильтр и антенну, в передающей части - последовательно соединенные буферное устройство и генератор сверхширокополосных импульсов, выход которого подключен к сигнальному входу переключателя прием/передача, а вход буферного устройства подключен к первому выходу блока обработки и управления, а в приемной части - последовательно соединенные усилитель, вход которого подключен к выходу переключателя прием/передача, аттенюатор, делитель мощности, первый выход которого подключен к первому входу устройства временного окна канала сигнала, а второй выход делителя мощности подключен к первому входу устройства временного окна канала шума, выход буферного устройства канала сигнала и выход буферного устройства канала шума подключены соответственно к первому и второму входам блока обработки и управления, первый выход блока синхронизации подключен к управляющему входу устройства временного окна канала сигнала, второй выход блока синхронизации подключен к управляющему входу устройства временного окна канала шума, управляющая шина блока обработки и управления подключена к управляющему входу формирователя порогового напряжения канала сигнала и управляющему входу формирователя порогового напряжения канала шума соответственно, а также к управляющему входу блока синхронизации и к управляющему входу аттенюатора, отличающаяся тем, что приемная часть дополнительно содержит в канале сигнала последовательно соединенные первый интегратор со сбросом и первую схему сравнения, а в канале шума - последовательно соединенные второй интегратор со сбросом и вторую схему сравнения, при этом выход первой схемы сравнения соединен с входом буферного устройства канала сигнала, а вход - с выходом формирователя порогового напряжения канала сигнала, выход второй схемы сравнения соединен с входом буферного устройства канала шума, вход второй схемы сравнения соединен с выходом формирователя порогового напряжения канала шума, вход первого интегратора со сбросом соединен с выходом устройства временного окна канала сигнала, а вход второго интегратора со сбросом соединен с выходом устройства временного окна канала шума, управляющий вход первого интегратора со сбросом соединен с первым выходом блока синхронизации и управляющим входом устройства временного окна канала сигнала, а управляющий вход второго интегратора со сбросом соединен с вторым выходом блока синхронизации и управляющим входом устройства временного окна канала шума.