Способ передачи цифровых сигналов по каналам спутниковой связи и система для его реализации Российский патент 2021 года по МПК H03K3/00 

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при проектировании и управлении низкоорбитальными космическими аппаратами (КА) связи типа «Гонец» в части способа и системы передачи сигналов по каналам спутниковой связи.

Известны способы и системы для управления КА, например, телеметрические, для передачи цифровых сигналов по каналам связи, включающие информационные датчики, бортовые и наземные радиопередатчики и радиоприемники, в которых производят измерение отношения сигнал/шум, устройство декодирования, регистрирующее устройство (см., например, патент РФ №2134488; Назаров А.В. «Современная телеметрия в теории и на практике», Изд. Наука и техника. Санкт-Петербург. 2007 г.).

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа заявленного изобретения, является способ управления бортовой аппаратурой, реализованный в радиотехническом комплексе КА «Гонец», включающий традиционную телеметрическую систему для передачи цифровых сигналов по каналам связи (см., например, патент РФ №2440677).

В известных аналогах, включая прототип, первичную шкалу изменения исходного сигнала разбивают на установленное число градаций, зависящих от точности передачи сообщения, при этом каждой градации присваивается определенное цифровое значение (число) для передачи его по каналу связи.

Недостатком известных способов и систем передачи по каналам связи является существенная зависимость качества передачи сообщений от меняющейся помеховой обстановки, т.е. от конкретного состояния канала связи.

Известно, что помеховая обстановка определяется безразмерной величиной являющейся отношением сигнал/шум, т.е. отношению мощности полезного сигнала к мощности шума, которое может быть измерено на выходе входного усилителя. Обычно это отношение выражается в децибелах (дб). Чем больше это отношение, тем меньше шум влияет на характеристики системы. На практике принято, что соотношение в 100-120 дб соответствует отличному состоянию канала, в 40-60 дб - приемлемому состоянию канала, а ниже 40 дб - плохому состоянию канала.

Задачей, решаемой предложенным изобретением, является повышение качества передачи сигналов в меняющейся обстановке канала связи из-за изменения отношения сигнал/шум.

Решение указанной задачи обеспечивается тем, что при изменении отношения сигнал/шум в канале связи меняют разрядность передаваемого, причем при ухудшении помеховой обстановки в канале связи уменьшают разрядность цифрового числа, чем уменьшают объем передаваемых сигналов.

Согласно предложенному способу (схематично представленному на фиг. 1) первичную шкалу измерения исходного сигнала Ш0 (фиг. 1а) разбивают на установленное число градаций Г, зависящее от требуемой точности передачи сообщения, затем каждой из градаций присваивают определенное цифровое значение (число) Гн для передачи его по каналу связи. Шкалу измерения исходного сигнала разбивают по установленному, например, двоичному закону, на серию подшкал ПШк с равным числом градаций в каждой из подшкал, но меньшим, чем в общей шкале, нумерацию градаций в каждой подшкале производят в порядке, соответствующим априорно установленной перестановке чисел Пл (число перестановок равно л!=1*2*…*л) для этой подшкалы.

К примеру, при разбиении Ш0 на 256 градаций (используемых в радиотелеметрии) для передачи каждой из них используется 8 разрядное цифровое число.

При разбиении Ш0 на две подшкалы (ПШ1 и ПШ2), каждая из них разбивается на 128 градации и для передачи каждой из них используется 7 разрядное цифровое число.

При разбиении Щ0 на четыре подшкалы (ПШ3, ПШ4, ПШ5 и ПШ6) для передачи каждой из них используется 6 разрядное цифровое значение (число) и т.д.

При восстановлении исходного сигнала (фиг. 2) определяют принадлежность цифрового значения (числа) к конкретной подшкале на основе последовательности следования сигналов в каждой подшкале с учетом выбранной в них перестановки, количество подшкал при делении общей шкалы выбирают исходя из текущей помеховой обстановки (фиг. 1) Рм (чем меньше м, тем лучше помеховая обстановка) в канале связи, увеличивая их число при ухудшении помеховой обстановки.

Таким образом, объем передаваемых сигналов вводят во взаимное соответствие меняющейся помеховой обстановке канала связи при изменении отношения сигнал/шум без снижения качества контролируемых параметров за счет уменьшения разрядности передаваемого цифрового значения (числа) при ухудшении помеховой обстановки в канале связи, что обеспечивает решение поставленной задачи.

На фиг. 3 представлена схема космической системы для передачи цифровых сигналов по каналам спутниковой связи для реализации способа по п. 1, при одном наиболее важном контролируемом параметре (например, напряжении питания бортовых систем), где:

1 - Бортовой сегмент.

1-1 - Бортовой радиоприемник.

1-2 - Измеритель отношения сигнал/шум.

1-3 - Бортовой радиопередатчик.

1-4 - Аналоговый информационный датчик.

2 - Наземный сегмент.

2-1 - Наземный радиоприемник.

2-2 - Наземный радиопередатчик.

3 - Дифференцирующая схема.

4 - Блок ключевых элементов (компараторов).

5 - Диодная матрица.

6 - Блок выходных регистров.

7 - Преобразователь аналогового сигнала в цифровой.

8 - Блок логических устройств.

9 - Выходной регистр.

Космическая система для передачи цифровых сигналов по каналам спутниковой связи для реализации способа по п. 1, состоит из взаимосвязанных между собой наземного сегмента, состоящего из наземных радиоприемника и радиопередатчика, и бортового сегмента, состоящего из последовательно подключенных бортового радиоприемника и измерителя отношения сигнал/шум, бортового радиопередатчика и аналогового информационного датчика.

В состав системы дополнительно введены последовательно подключенные между выходом измерителя отношения сигнал/шум и входом бортового радиопередатчика дифференцирующая схема, блок ключевых элементов, на другие входы которого подключены эталонные сигналы, диодная матрица и блок выходных регистров, к другому входу которого подключен связанный с выходом аналогового информационного датчика преобразователь аналогового сигнала в цифровой, а также подключенные к выходу наземного радиоприемника последовательно подключенные блок логических устройств и выходной регистр.

Система работает следующим образом.

Сигналы с выхода усилителя приемника (1) с узкой полосой пропускания (малошумящий выход) и с широкой полосой пропускания (реально шумящий выход) поступают на соответствующие входы измерителя отношения сигнал/шум (1-2), с выхода которого сигнал отношения поступает на вход дифференцирующей схемы (3), с выхода которой сигнал, соответствующий скорости изменения входного сигнала поступает на входы ключевых элементов блока (4), к другим входам которых подключены соответствующие эталонные сигналы. При срабатывании конкретных ключевых элементов его выходные сигналы поступают на входы диодной матрицы (5), выходным сигналом которых определяется подключение конкретного выходного регистра блока (6), в каждом из которых априори записаны сигналы с учетом их перестановки в каждой из подшкал, предопределяя кодирование сигнала с выхода преобразователя (7), пропорциональному аналоговому входному сигналу с выхода датчика (1-4).

Выходной сигнал с выхода регистра блока (6), соответствующий номеру градации в соответствующей подшкале через передатчик (1-3) и приемник (2-1) поступает на входы логических элементов блока (8) и регистра (9), предопределяя восстановление исходного сигнала.

Логическими элементами блока (9), построенными по принципу привязки к конкретной подшкале на основе определения непрерывности поступления входных сигналов номеров градаций в соответствии с выбранными перестановками, восстанавливается исходное значение аналогового сигнала.

Таким образом, технически реализуется заявленный способ и обеспечивается решение поставленной задачи.

Предложенное изобретение реализуется в настоящее время в проектах управления КА «Гонец-М».

Дифференцирующая схема широко освящена в теории элетро-радио цепей. Ключевые элементы рассмотрены в теории радиоэлектронной техники (см., например В.И. Зубчук Справочник по цифровой схемотехнике. Киев, изд. Техника, 1990, стр. 36, 42, 53). Указанные ключевые элементы срабатывают при превышении входного сигнала установленного значения на другом их входе.

Диодная матрица строится по традиционной схеме преобразователей кодов (см., например, А.Г. Алексеенко. Основы микросхемотехники. Советское радио, 1973, стр. 103-105).

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при проектировании и управлении низкоорбитальными космическими аппаратами (КА) связи типа «Гонец» в части способа и системы передачи сигналов по каналам спутниковой связи. Техническим результатом является повышение качества передачи сигналов в меняющейся обстановке канала связи при изменении отношения сигнал/шум. Для этого предусмотрено изменение объема передаваемых сигналов, которые изменяют в соответствии с изменяющейся обстановкой (изменение отношения сигнал/шум) канала связи за счет уменьшения разрядности передаваемого цифрового значения (числа) при ухудшении помеховой обстановки в канале связи. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ передачи цифровых сигналов по каналам спутниковой связи, при котором первичную шкалу измерения исходного сигнала разбивают на установленное число градаций, зависящее от требуемой точности передачи сообщения, каждой из градаций присваивают определенное цифровое значение для передачи его по каналу связи, отличающийся тем, что шкалу измерения исходного сигнала разбивают по установленному двоичному закону, на серию подшкал с равным числом градаций в каждой из подшкал, но меньшим, чем в общей шкале, нумерацию градаций в каждой подшкале производят в порядке, соответствующем априорно установленной перестановке чисел для этой подшкалы, при восстановлении исходного сигнала определяют принадлежность цифрового значения к конкретной подшкале с учетом выбранной в них перестановки, количество подшкал при делении общей шкалы выбирают исходя из текущей помеховой обстановки в канале связи, увеличивая их число при ухудшении помеховой обстановки.

2. Космическая система для передачи цифровых сигналов по каналам спутниковой связи для реализации способа по п. 1, включающая взаимосвязанные между собой наземный сегмент, состоящий из наземных радиоприемника и радиопередатчика, и бортовой сегмент космического носителя, состоящий из последовательно подключенных бортового радиоприемника и измерителя отношения сигнал/шум, бортового радиопередатчика и аналогового информационного датчика, отличающаяся тем, что в ее состав введены последовательно подключенные между выходом измерителя отношения сигнал/шум и входом бортового радиопередатчика дифференцирующая схема, блок ключевых элементов, на другие входы которого подключены эталонные сигналы, диодная матрица и блок выходных регистров, к другому входу которого подключен связанный с выходом аналогового информационного датчика преобразователь аналогового сигнала в цифровой, а также подключенные к выходу наземного радиоприемника последовательно подключенные блок логических устройств и выходной регистр.