РАДИОМОДЕМ Российский патент 2024 года по МПК H04B7/165 

Предлагаемое изобретение относится к технике электросвязи и может быть использовано для организации обмена данными между разнесенными абонентами.

Известен радиомодем [1], включающий первый, второй, третий и четвертый коммутаторы, кодер, буферный накопитель, блок вычисления обратного дискретного преобразования Фурье, блок добавления защитного интервала, преобразователь числового массива во временную последовательность, формирующий фильтр, блок согласования, генератор настроечной последовательности, блок опорных частот, входной блок, блок автоматической регулировки усиления, буферный запоминающий блок, блок дискретного преобразования Фурье, блок вычислителей информативного приращения фазы, блок оценки значений символов и эталонной фазы и блок управления. Первый вход первого коммутатора подключен ко входу передатчика модема. Второй вход первого коммутатора соединен с выходом генератора настроечной последовательности. Третий вход первого коммутатора связан с первым выходом блока управления, а выход первого коммутатора подключен ко входу кодера, выход которого соединен со входом буферного накопителя. Выход блока вычисления обратного дискретного преобразования Фурье связан со входом блока добавления защитного интервала. Выход блока добавления защитного интервала подключен к первому входу преобразователя числового массива во временную последовательность, второй вход которого объединен с вторым входом формирующего фильтра, вторым входом входного блока и четвертым входом буферного запоминающего блока и подключен к первому выходу блока опорных частот. Выход преобразователя числового массива во временную последовательность связан с первым входом формирующего фильтра. Выход блока согласования соединен с выходом передатчика модема. Второй вход третьего коммутатора подключен к пятому выходу блока управления и к второму входу блока дискретного преобразования Фурье. Третий вход третьего коммутатора связан с первым выходом блока дискретного преобразования Фурье. Выход третьего коммутатора соединен со вторым входом буферного запоминающего блока, первый вход которого подключен к выходу второго коммутатора. Третий выход блока опорных частот подключен к второму входу блока оценки значений символов и эталонной фазы. Первый вход входного блока связан с входом приемника модема. Второй выход блока управления соединен с третьим входом буферного запоминающего блока, а третий выход - с третьим входом четвертого коммутатора. Третий вход блока дискретного преобразования Фурье связан с первым выходом буферного запоминающего блока. Второй вход блока вычислителей информативного приращения фазы соединен с вторым выходом блока оценки значений символов и эталонной фазы, первый выход которого является выходом приемника модема. Радиомодем включает также блок распределения и формирования кадров с внесением избыточности, первый и второй сумматоры, генератор пилот-сигнала, блок режекторных фильтров, узкополосный полосовой фильтр, первый и второй преобразователи частоты с комплексным выходом, блок накапливающих сумматоров, дециматор, блок накопления отсчетов и вычисления дискретного преобразования Фурье, анализатор частотного сдвига, фильтр, блок группирования, синхронизации и вычисления аргумента, формирователь частоты переноса спектра сигнала, блок вычисления и обработки синхросуммы, регистр адреса, фазовый дискриминатор посимвольной синхронизации, блок вычисления дисперсии мощности тонов, коммутационный блок и кодер-накопитель настроечной последовательности, причем выход буферного накопителя подключен к входу блока распределения и формирования кадров с внесением избыточности, выход которого соединен со входом блока вычисления обратного дискретного преобразования Фурье. Первый выход блока опорных частот подключен к входу генератора пилот-сигнала, первому входу блока управления, к вторым входам обоих преобразователей частоты с комплексным выходом, узкополосного полосового фильтра, блока режекторных фильтров и фильтра, третьему входу формирователя частоты переноса спектра сигнала. Выход формирующего фильтра подключен к первому входу первого сумматора, выход которого подключен к входу блока согласования, а второй вход объединен с третьим входом первого преобразователя частоты с комплексным выходом и подключен к первому выходу генератора пилот-сигнала. Второй выход блока опорных частот подключен к вторым входам блока накапливающих сумматоров, дециматора, блока накопления отсчетов и вычисления дискретного преобразования Фурье и анализатора частотного сдвига. Третий выход блока опорных частот соединен с вторыми входами формирователя частоты переноса спектра сигнала, регистра адреса, блока управления и четвертым входом блока группирования, синхронизации и вычисления аргумента. Второй выход генератора пилот-сигнала связан с четвертым входом первого преобразователя частоты с комплексным выходом. Выход входного блока подключен к первому входу блока режекторных фильтров, третий вход которого соединен с выходом блока вычисления дисперсии мощности тонов. Выход блока режекторных фильтров связан с входом блока автоматической регулировки усиления. Выход блока автоматической регулировки усиления подключен к первым входам узкополосного полосового фильтра и фильтра. Выход узкополосного полосового фильтра соединен с первым входом первого преобразователя частоты с комплексным выходом, выход которого связан с первым входом блока накапливающих сумматоров. Выход блока накапливающих сумматоров подключен к первому входу дециматора. Выход дециматора соединен с первым входом узла накопления отсчетов и вычисления дискретного преобразования Фурье, первый выход которого связан с первым входом анализатора частотного сдвига. Второй выход блока накопления отсчетов и вычисления дискретного преобразования Фурье подключен к третьему входу анализатора частотного сдвига. Первый выход анализатора частотного сдвига соединен с четвертым входом формирователя частоты переноса спектра сигнала, а второй - с третьим входом блока управления. Выход фильтра связан с первым входом второго преобразователя частоты с комплексным выходом, третий и четвертый входы которого подключены соответственно к первому и второму выходам формирователя частоты переноса спектра. Выход второго преобразователя частоты с комплексным выходом соединен с первым входом второго коммутатора, второй вход которого связан с шестым выходом блока управления. Первый выход буферного запоминающего блока связан с первым входом узла вычисления и обработки синхросуммы. Второй выход буферного запоминающего блока подключен ко второму входу блока вычисления и обработки синхросуммы, первый вход третьего коммутатора соединен с первым выходом блока вычисления и обработки синхросуммы. Первый вход четвертого коммутатора соединен с третьим выходом блока вычисления и обработки синхросуммы. Второй вход четвертого коммутатора связан с выходом второго сумматора. Третий вход блока вычисления и обработки синхросуммы соединен с пятым входом формирователя частоты переноса спектра сигнала и подключен к третьему выходу блока управления. Выход четвертого коммутатора соединен с первым входом регистра адреса. Первый вход блока дискретного преобразования Фурье связан со вторыми входами второго сумматора, фазового дискриминатора посимвольной синхронизации и четвертым входом блока вычисления и обработки синхросуммы и подключен к выходу регистра адреса. Второй выход блока дискретного преобразования Фурье подключен к первому входу блока группирования, синхронизации и вычисления аргумента и входу блока вычисления дисперсии мощности тонов. Третий выход блока дискретного преобразования Фурье соединен с пятым входом блока вычисления и обработки синхросуммы. Второй вход блока группирования, синхронизации и вычисления аргумента объединен с первым входом формирователя частоты переноса спектра сигнала и подключен к пятому выходу блока вычисления и обработки синхросуммы. Третий вход блока группирования, синхронизации и вычисления аргумента подключен к второму выходу блока оценки значений символов и эталонной фазы. Выход блока группирования, синхронизации и вычисления аргумента соединен с первым входом блока вычислителей информативного приращения фазы. Первый вход блока оценки значений символов и эталонной фазы связан с выходом коммутационного блока. Второй выход блока вычисления и обработки синхросуммы подключен к первому входу фазового дискриминатора посимвольной синхронизации. Четвертый выход блока вычисления и обработки синхросуммы соединен с четвертым входом блока управления. Первый вход второго сумматора связан с выходом фазового дискриминатора посимвольной синхронизации. Выход блока вычислителей информативного приращения фазы соединен с первым входом коммутационного блока, второй вход которого связан с выходом кодера-накопителя настроечной последовательности, а третий вход подключен к первому выходу блока управления. Вход кодера-накопителя настроечной последовательности соединен с выходом генератора настроечной последовательности.

К недостаткам аналога можно отнести большой пик-фактор (отношение пиковой излучаемой мощности к средней) и требование к работе усилителя мощности в линейном режиме, обусловленные использованием при формировании сигнала обратного преобразования Фурье, что в совокупности приводит к низкой энергетической эффективности передатчика.

Известен радиомодем [2], содержащий первый кодек, третий и шестой интерфейсы и передающий блок, соединенный с первым антенно-фидерным блоком (АФБ), выход которого является выходом устройства. В радиомодеме имеются последовательно соединенные первый интерфейс, аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Выход первого коммутатора соединен с первым входом первого кодека. Радиомодем содержит также последовательно соединенные первый сумматор, первый вход которого соединен с выходом первого кодека, второй коммутатор, второй сумматор, третий коммутатор и пакетатор, выход которого соединен с первым входом передающего блока, последовательно соединенные второй АФБ, вход которого является входом устройства, усилительно-преобразовательный блок (УПБ), блок фазовой автоподстройки (БФА), приемный блок, четвертый коммутатор, четвертый сумматор, третий сумматор, шестой кодек, пятый коммутатор, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и седьмой интерфейс, последовательно соединенные четвертый интерфейс, пятый регистр, второй регистр, первый регистр и первый блок криптозащиты (БКЗ), выход которого соединен со вторым входом первого регистра, второй выход которого соединен со вторым входом второго регистра, последовательно соединенные пятый интерфейс, первый регистр сдвига, второй БКЗ, третий регистр и четвертый регистр, первый выход которого соединен со вторым входом третьего регистра, второй выход которого соединен со вторым входом второго блока криптозащиты, последовательно соединенные второй регистр сдвига, первый вход которого соединен со вторым выходом пятого интерфейса, третий БКЗ и шестой регистр. Также содержит управляющий блок, генератор тактовых импульсов, генератор кодовых последовательностей, четвертый БКЗ, блок отождествления элемента сигнала (БОЭС), мультиплексор, компаратор, к схем сравнения, а также первый, второй, третий и четвертый синтезаторы частот; второй интерфейс, второй, третий, четвертый и пятый кодеки седьмой, восьмой и девятый регистры; при этом третий выход первого, регистра соединен со вторым входом первого сумматора, третий выход третьего регистра соединен со вторым входом второго сумматора. Второй выход второго регистра соединен с первым входом второго кодека, выход которого соединен со вторым входом второго коммутатора. Второй выход четвертого регистра соединен с первыми входами первого и второго синтезаторов частот и третьего кодека, выход которого соединен со вторым входом третьего коммутатора. Второй выход четвертого коммутатора соединен с первым входом пятого кодека, выход которого соединен с первым входом девятого регистра, выход которого соединен со вторым входом седьмого регистра, первый выход которого соединен со вторым входом четвертого БКЗ. Второй выход седьмого регистра соединен со вторым входом третьего сумматора. Третий выход четвертого коммутатора соединен с первым входом четвертого кодека, выход которого соединен с первым входом восьмого регистра, выход которого соединен с первыми входами третьего и четвертого синтезаторов частот и вторым входом шестого регистра, первый выход которого соединен со вторым входом третьего БКЗ. Второй выход шестого регистра соединен со вторым входом четвертого сумматора. Второй выход второго АФБ соединен с первым сигнальным входом БОЭС, выход которого соединен с сигнальными входами к схем сравнения, выходы которых соединены с соответствующими к сигнальными входами компаратора и мультиплексора. Выход компаратора соединен с адресным входом мультиплексора, выход которого соединен со вторым входом БФА. Выход первого регистра сдвига соединен со вторым входом первого БКЗ, а выход второго регистра сдвига - с первым входом четвертого БКЗ, выход которого соединен с первым входом седьмого регистра. Группа выходов второго интерфейса шиной соединена с группой информационных входов управляющего блока, первая группа выходов которого шиной соединена с группами управляющих входов первого коммутатора, первого, второго и третьего кодеков, второго и третьего коммутаторов, а вторая группа выходов управляющего блока шиной соединена с группами управляющих входов четвертого и пятого коммутаторов, а также четвертого, пятого и шестого кодеков. Выход третьего синтезатора частот соединен со вторым входом УПБ, а выход четвертого синтезатора частот - со вторым входом БОЭС. Выход третьего интерфейса соединен с третьим входом первого коммутатора. Выход генератора кодовых последовательностей соединен со вторым входом пакетатора. Второй выход пятого коммутатора соединен с шестым интерфейсом. Второй выход второго коммутатора соединен с четвертым входом третьего коммутатора. Второй выход четвертого интерфейса соединен со вторым входом четвертого регистра. Выход первого синтезатора частот соединен со вторым входом передающего блока, а выход второго синтезатора частот - с третьим входом передающего блока. Выход генератора тактовых импульсов соединен с тактовыми входами управляющего блока, компаратора, передающего и приемного блоков, БФА, АЦП, ЦАП, БОЭС, пакетатора, мультиплексора, генератора кодовых последовательностей, каждого из шести кодеков, каждого из шести коммутаторов, каждого из четырех сумматоров, каждого из девяти регистров, каждого из двух регистров сдвига, каждого из четырех синтезаторов частот, каждого из четырех блоков криптозащиты, каждой из схем сравнения.

К недостаткам аналога можно отнести отсутствие блоков эквализации, компенсирующих негативные эффекты, возникающие при многолучевом распространении сигнала и движении передатчика или приемника, что приводит к затруднениям при организации связи в условиях отсутствия прямой видимости.

Известен помехозащищенный радиомодем с быстрым скачкообразным изменением частоты [3], который по большинству существенных признаков и принят за прототип. Он содержит усилитель высокой частоты, усилитель мощности, полосовой фильтр, первый смеситель, второй смеситель, первый полосовой фильтр, второй полосовой фильтр, узкополосный фильтр, первый синтезатор частоты, первый узкополосный фильтр, второй узкополосный фильтр. Усилитель высокой частоты соединен с усилителем мощности, который подключен к полосовому фильтру. Узкополосный фильтр соединен с первым смесителем. Радиомодем снабжен аналого-цифровым преобразователем, выполняющим роль входного каскада, блоком цифровой обработки сигнала, сдвоенным цифроаналоговым преобразователем, третьим узкополосным фильтром, двумя фазовращателями, сумматором, двумя управляемыми аттенюаторами, управляемым коммутатором, приемопередающей антенной, двумя дополнительными усилителями высокой частоты, демодулятором, двумя смесителями, дифференциальным усилителем, сдвоенным аналого-цифровым преобразователем, генератором, двумя усилителями гетеродина. Приемопередающая антенна подключена к управляемому коммутатору, который, в свою очередь, подключен к входам третьего и четвертого смесителей через последовательно соединенные первый полосовой фильтр, усилитель мощности первый усилитель высокой частоты, второй- полосовой фильтр, второй усилитель высокой частоты и второй управляемый аттенюатор. Выходы третьего и четвертого смесителя подключены к входам дифференциального усилителя, выходы которого, в свою очередь, подключены через первый узкополосный фильтр и второй узкополосный фильтр к входам сдвоенного аналогово-цифрового преобразователя, выход которого подключен к блоку цифровой обработки сигнала, который соединен с управляемым коммутатором сигнала, первым и вторым управляемыми аттенюаторами, первым синтезатором частоты, сдвоенным цифроаналоговым преобразователем, сдвоенным аналого-цифровым преобразователем и осуществляет непосредственную демодуляцию, декодирование и выдачу принимаемого информационного сигнала на вход цифро-аналогового преобразователя, выполняющего роль выходного каскада, а также на основе передаваемого информационного сигнала, который поступает с аналого-цифрового преобразователя, выполняющим роль входного каскада, непосредственно рассчитывает и формирует комплексный аналитический сигнал с помехоустойчивым кодированием и скачкообразным изменением одновременно двух разнесенных частот для радиопередачи в форме I+jQ, где j - комплексная единица, j - синфазный канал передачи, Q - квадратурный канал передачи и выдает его на сдвоенный цифроаналоговый преобразователь, выходы которого соединены со входами первого и второго смесителя через узкополосный фильтр и третий узкополосный фильтр соответственно, входы сумматора соединены с выходами первого и второго смесителей. Выход сумматора подключен к управляемому коммутатору через последовательно соединенные первый управляемый аттенюатор, усилитель высокой частоты, усилитель мощности и полосовой фильтр. Генератор соединен с первым синтезатором частоты, к первому выходу которого подключен первый усилитель гетеродина, к которому, в свою очередь, подключен вход второго смесителя и вход первого смесителя через первый фазовращатель, а ко второму выходу подключен второй усилитель гетеродина, к которому, в свою очередь, подключен вход третьего смесителя и вход четвертого смесителя через второй фазовращатель.

Прототип имеет следующие недостатки:

- при псевдослучайной перестройке рабочей частоты (ППРЧ) используется всего две частоты, но они легко подавляются;

- при работе в городских условиях, горах и других местностях, где существует отражение радиоволн от различных поверхностей, из-за наложения отраженных сигналов и межсимвольной интерференции связь будет неустойчивая;

- используется узкополосный сигнал, что значительно увеличивает его радиозаметность.

Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение помехозащищенности и помехоустойчивости устройства за счет использования адаптивных алгоритмов и программно-аппаратных решений, позволяющих проводить оценку качества частотного канала с автоматическим переходом на вероятностно-оптимальные частоты в заданном диапазоне и изменением параметров используемой сигнально-кодовой конструкции по технологии «когнитивное радио», дополненных методами расширения спектра методом прямой последовательности, комбинированными с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты, применением турбокодов, эквалайзера с обратной связью по решению, спектрально и энергетически эффективного способа модуляции, перемежения.

Указанный технический результат достигается тем, что в радиомодем, содержащий блок цифровой обработки сигнала (ЦОС), который снабжен сдвоенным аналого-цифровым преобразователем, сдвоенным цифро-аналоговым преобразователем, первым управляемыми аттенюатором, сумматором, модулятором и демодулятором, второй управляемый аттенюатор, три усилителя высокой частоты, усилитель мощности, три полосовых фильтра, два узкополосных фильтра, синтезатор частоты, соответствующие выходы которого соединены с первым и вторым усилителями гетеродина, а вход - с генератором, при этом усилитель мощности через второй полосовой фильтр, коммутируемый вход/выход управляемого коммутатора соединен с приемопередающей антенной, выход управляемого коммутатора через третий полосовой фильтр соединен с последовательно связанными вторым усилителем высокой частоты, четвертым полосовым фильтром, третьим усилителем высокой частоты и вторым управляемым аттенюатором, дополнительно включены входной каскад, выход которого подключен к первому входу «Вх.1» блока ЦОС, выходной каскад, вход которого подключен к второму выходу «Вых.2» блока ЦОС, внутренняя сеть управления (ВСУ), соединенная двухсторонними связями с вычислителем, блоком ЦОС, вторым усилителем высокой частоты, третьим усилителем высокой частоты, первым усилителем высокой частоты, усилителем мощности, синтезатором частот, входным каскадом, выходным каскадом, управляющими входами управляемого коммутатора, первый усилитель высокой частоты подключен к усилителю мощности через первый полосовой фильтр, второй усилитель высокой частоты выполнен в виде малошумящего усилителя, выходы первого и второго усилителей гетеродина через первый и второй узкополосные фильтры соответственно соединены с соответствующими входами «Вх. М» и «Вх. ДМ» блока ЦОС, выход пятого полосового фильтра подключен к второму входу «Вх. 2» блока ЦОС, вход первого усилителя высокой частоты связан с первым выходом «Вых. 1» блока ЦОС, первый вход «Вх. 1» блока ЦОС соединен с первым выходом «Вых. 1» блока ЦОС через цепочку последовательно соединенных кодера, выкалывателя битов, перемежителя, модуля расширения спектров, формирователя блоков, модулятора с выходами квадратурных составляющих, первого управляемого аттенюатора, корректора амплитудно-частотной характеристики, сдвоенного цифро-аналогового преобразователя, двух параллельно включенных дифференциальных операционных усилителей и дифференциальных формирующих LC-фильтров, модулятора квадратур, на модулирующий вход которого подается сигнал входа блока ЦОС «Вх. М», при этом входы/выходы управления и контроля кодера, выкалывателя битов, перемежителя, модуля расширения спектров, формирователя блоков, модулятора с выходами квадратурных составляющих, первого управляемого аттенюатора, корректора амплитудно-частотной характеристики, сдвоенного цифро-аналогового преобразователя, двух параллельно включенных дифференциальных операционных усилителей, дифференциальных формирующих LC-фильтров и модулятора квадратур подключены двухсторонними связями к ВСУ, второй вход «Вх. 2» блока ЦОС соединен с вторым выходом «Вых. 2» блока ЦОС через цепочку последовательно соединенных демодулятора квадратур с выходами квадратурных составляющих, второй вход которого подключен к входу «Вх. ДМ» блока ЦОС, сдвоенных дифференциальных усилителей, двух параллельно включенных дифференциальных фильтров, сдвоенных аналого-цифровых преобразователей, сумматора, модуля устранения постоянной составляющей, модуля логарифмической автоматической регулировки усиления, согласованного фильтра с амплитудно-частотной характеристикой, моделирующей корень из приподнятого косинуса, модуля восстановления несущей, модуля восстановления тактовой частоты, модуля устранения постоянной составляющей, модуля блоковой синхронизации, модуля эквалайзера и сужения спектра, модуля вычисления отношения правдоподобия, демодулятора, деперемежителя, модуля добавления выколотых битов, декодера, при этом входы/выходы управления и контроля демодулятора квадратур с выходами квадратурных составляющих, сдвоенных дифференциальных усилителей, сдвоенных аналого-цифровых преобразователей, сумматора, модуля устранения постоянной составляющей, модуля логарифмической автоматической регулировки усиления, модуля восстановления несущей, модуля восстановления тактовой частоты, модуля устранения постоянной составляющей, модуля блоковой синхронизации, модуля эквалайзера и сужения спектра, модуля вычисления отношения правдоподобия, демодулятора, деперемежителя, модуля добавления выколотых битов, декодера подключены двухсторонними связями к ВСУ, кроме того, второй вход/выход вычислителя является входом/выходом радиомодема для загрузки исходных данных и сопряжения с внешними системами, находящимися на носителе радиомодема, выход выходного каскада, является информационным выходом радиомодема, а вход входного каскада является информационным входом радиомодема.

Предлагаемое изобретение поясняется фигурами. На фиг.1 приведена структурная схема радиомодема, на фиг.2 - структурная схема одного из вариантов построения блока ЦОС. На фигурах введены обозначения:

1 - входной каскад;

2 - блок цифровой обработки сигнала;

3 - сдвоенный цифро-аналоговый преобразователь;

4 - первый узкополосный фильтр;

5 - второй узкополосный фильтр;

6 - модулятор;

7 - информационный вход радиомодема;

8 - информационный выход радиомодема;

9 - вход/выход радиомодема для загрузки исходных данных и сопряжения с внешними системами, находящимися на носителе радиомодема;

10 - сумматор;

11 - первый управляемый аттенюатор;

12 - первый усилитель высокой частоты;

13 - усилитель мощности;

14 - второй полосовой фильтр;

15 - управляемый коммутатор;

16 - приемопередающая антенна;

17 - третий полосовой фильтр;

18 - второй усилитель высокой частоты;

19 - четвертый полосовой фильтр;

20 - третий усилитель высокой частоты;

21 - второй управляемый аттенюатор;

22 - демодулятор;

23 - пятый полосовой фильтр;

24 - демодулятор квадратур с выходами квадратурных составляющих;

25 - сдвоенные дифференциальные усилители;

26 - параллельно включенные дифференциальные фильтры;

27 - модуль устранения постоянной составляющей;

28 - модуль логарифмической автоматической регулировки усиления;

29 - сдвоенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

30 - выходной каскад;

31 - синтезатор частоты;

32 - генератор;

33 и 34 - первый и второй усилители гетеродина;

35 - согласованный фильтр с амплитудно-частотной характеристикой, моделирующей корень из приподнятого косинуса;

36 - модуль восстановления несущей;

37 - модуль восстановления тактовой частоты;

38 - модуль устранения постоянной составляющей;

39 - модуль блоковой синхронизации;

40 - модуль эквалайзера и сужения спектра;

41 - модуль вычисления отношения правдоподобия;

42 - деперемежитель;

43 - модуль добавления выколотых битов;

44 - декодер;

45 - кодер;

46 - выкалыватель битов;

47 - перемежитель;

48 - модуль расширения спектра;

49 - формирователь блоков;

50 - корректор амплитудно-частотной характеристики;

51 - два параллельно включенных дифференциальных операционных усилителя;

52 - дифференциально формирующие LC-фильтры;

53 - квадратурный модулятор;

54 - вычислитель;

55 - внутренняя сеть управления (ВСУ);

56 - первый полосовой фильтр.

Радиомодем работает в режиме применения широкополосного сигнала с использованием псевдослучайной перестройки рабочей частоты и технологии «когнитивное радио». Широкополосный сигнал (мгновенная полоса задается при загрузке по входу/выходу 9) перестраивается методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты (ППРЧ) в широком диапазоне, при этом на каждой частоте перестройки измеряется качество канала. По технологии «когнитивное радио» осуществляется выбор в реальном масштабе времени наилучшего набора частот для связи, обеспечивающего уход от помех. Совместно с расширением спектра это обеспечивает высокую устойчивость к помехам. Кроме того, когнитивный выбор радиочастот позволяет использовать вероятностно оптимальные частоты по прохождению радиоволн в текущий момент времени.

Радиомодем работает следующим образом.

Поступающая через входной каскад 1 информация подается на вход 1 блока 2 цифровой обработки сигнала, который формирует радиосигнал для передачи с помехоустойчивым кодированием, перемежением символов и защитой их от межсимвольной интерференции, со скачкообразной псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. Входной каскад необходим для согласования параметров входного сообщения с параметрами блока ЦОС. В блоке ЦОС 2 данные кодируются в узле 45, например, турбокодом. Из полученных сообщений без потери качества информации «выкалываются» биты с помощью узла 46, перемежаются в узле 47, в узле 48 расширяется их спектр методом прямой последовательности, затем они формируются в блоки в узле 49, преобразуются в радиосигнал в узле 6, например, с помощью фазовой манипуляции со сдвигом квадратур относительно друг друга, подвергнутых фильтрации. С выхода модулятора 6 квадратурные сигналы в виде I/Q-выборки изменяют свой уровень в первом управляемом вычислителем 54 аттенюаторе 11, корректируют амплитудно-частотную характеристику в узле 50 и в виде I/Q-выборки поступают на двухканальный ЦАП 3. С выхода ЦАП 3 I и Q сигналы поступают на дифференциальные операционные усилители 51 и затем на дифференциальные формирующие LC-фильтры Чебышева 52, например, 9-го порядка с заданной полосой пропускания, осуществляющие фильтрацию 1-й зоны Найквиста.

Отфильтрованные сигналы подаются на квадратурный модулятор 53, осуществляющий перенос сигналов на несущую частоту. На него также по входу «Вх. М» блока ЦОС 2 с синтезатора 31 частот через первый усилитель гетеродина 33 и первый узкополосный фильтр 4 поступает сигнал несущей частоты. При этом синтезатор 31 частот одновременно работает через узлы 34 и 5 на вход «Вх. ДМ» блока ЦОС 2. Управление перестройкой частот в синтезаторе 31 осуществляется вычислителем 54 по заданной по входу/выходу 9 программе.

Модулированный сигнал усиливается в узле 12 и подается на полосовой фильтр 56, осуществляющий фильтрацию паразитных составляющих (в первую очередь, создаваемых модулятором).

Далее сигнал поступает на усилитель 13 мощности. Применение модуляции с постоянной огибающей обеспечивает максимальную энергетическую эффективность, благодаря постоянной амплитуде огибающей и возможности работы усилителя мощности 13 в режиме нелинейного усиления с высоким коэффициентом полезного действия.

Затем радиосигнал проходит второй полосовой фильтр 14 (фильтр гармоник) и через управляемый вычислителем 54 коммутатор 15 «прием/передача» поступает на антенну 1.6.

При переключении в режим приема по сигналу от вычислителя 54 отключается питание усилителя 13 мощности и квадратурного модулятора 53 для уменьшения помех и улучшения энергосбережения.

I и Q сигналы с выхода демодулятора 24 поступают на два параллельных дифференциальных операционных усилителя 25 и затем на два параллельных дифференциальных LC-фильтров 26 Чебышева, например, 11-го порядка с заданной полосой пропускания. Фильтры обеспечивают избирательность по приему и фильтрацию 1-й зоны Найквиста.

Приемная часть радиомодема работает следующим образом.

Сигнал с антенны 16 через управляемый коммутатор 15 «прием-передача», реализующий полный дуплекс с временным разделением каналов, поступает на третий полосовой фильтр 17, в котором кроме процедур выделения участка частот выделенного диапазона выполняются функции ограничения уровня принимаемых радиосигналов, например, с помощью ограничителя мощности на pin-диодах, и защиты от электростатических разрядов, например, с помощью сборки быстродействующих стабилитронов. С помощью этих узлов в третьим полосовом фильтре 17 ограничивается непрерывная мощность входного радиосигнала до заданной величины, что гарантирует нормальную работу приемного устройства при радиосигналах любой мощности и широкополосных статических разрядов на входе вплоть до заданного уровня.

Далее сигнал поступает на сверхмалошумящий второй усилитель 18 высокой частоты с малым коэффициентом шума и на четвертый полосовой фильтр 19, выполненный, например, на низкотемпературной совместно обжигаемой керамике, обеспечивающий избирательность и устойчивость к блокированию радиоприемного устройства.

Отфильтрованный сигнал после усиления в третьем усилителе высокой частоты 20 подается на второй управляемый аттенюатор 21, реализующий с помощью вычислителя 54 аналого-цифровую автоматическую регулировку усиления (АРУ). Данная АРУ необходима для поддержания амплитуды сигнала в наилучшей зоне дискретизации по уровню АЦП 29, который обеспечивает требуемое количество разрядов дискретизации и таким образом максимизирует динамический диапазон. Обратная связь в АРУ реализована, например, путем измерения среднего уровня сигнала на выходе АЦП 29 и установки вычислителем 54 ослабления второго аттенюатора 21 по заданному интерфейсу после дополнительного усиления в усилителе высокой частоты 20, Регулировка дает возможность осуществления связи на близких расстояниях. При необходимости вычислителем 54 обеспечивается коррекция I и Q квадратур с помощью соответствующих АЦП 29.

С выхода второго аттенюатора 21 сигнал проходит дополнительные каскады фильтрации в фильтре 23, повышающем избирательность, и подается на IQ-демодулятор 24 с калибруемым вычислителем 54 смещением, амплитудным и фазовым дисбалансом, который осуществляет перенос полосы на низкую (близкую к нулевой) центральную частоту.

С выхода IQ-демодулятора 24 сигнал проходит параллельно включенные дифференциальные усилители 25, дифференциальные фильтры 26 защиты от наложения спектра, например, 11-го порядка и поступает на двухканальный АЦП 29 с выбранной для обеспечения качества преобразования частотой дискретизации и уровней квантования.

Оцифрованный сигнал после прохождения сумматора 10 по высокоскоростному, например, по интерфейсу дифференциальной передачи данных с пониженным напряжением [4, 5] поступает на модуль 27 устранения постоянной составляющей, который устраняет смещение сигнальных созвездий относительно центра.

Затем сигнал поступает на цифровой модуль логарифмической АРУ 28, который приводит среднюю амплитуду сигнала к целевой. Это необходимо для корректной работы модуля 36 восстановления несущей и модуля 37 восстановления тактовой частоты, модуля 39 блоковой синхронизации, эквалайзера 40 и демодулятора 22.

С выхода модуля 28 логарифмической АРУ сигнал через согласованный фильтр 35 с амплитудно-частотной характеристикой, моделирующей корень из приподнятого косинуса, подается на модули 36 и 37 восстановления несущей и восстановления тактовой частоты, обеспечивающие синхронизацию узлов. Схема восстановления несущей организована как двухпетлевая фазовая автоподстройка частоты, модифицированная под примененную модуляцию. Модуль восстановления несущей поддерживает расстройку частот между передатчиком и приемником и доплеровский сдвиг, что обеспечивает возможность работы в движении на требуемой скорости.

В качестве задающих синхросигналы используются термокомпенсированные генераторы 32. Применение фазовой модуляции со сдвигом квадратур, подвергнутых фильтрации, в отличие от OFDM и других, позволяет в качестве синтезаторов частоты использовать малогабаритные генераторы с фазовой автоподстройкой частоты из-за меньшей чувствительности к фазовым шумам.

Модуль 37 восстановления тактовой частоты реализован как петля с автоматической подстройкой задержки посредством цифрового фильтра с изменяемой дробной задержкой (структура Фэрроу). Модуль 37 синхронизирует частоту символьной скорости передатчика и приемника, обеспечивает взятие отсчетов символов в оптимальные моменты времени (при наибольшем раскрытии глазковой диаграммы).

Оба модуля 36 и 37 имеют минимальное рабочее отношение сигнал/шум ниже уровня шума.

С выхода модуля 37 после устранения постоянной составляющей в модуле 38 сигнал поступает на модуль 39 блоковой синхронизации, реализованный, например, по схеме скользящего коррелятора. Устройство имеет многоуровневую синхронизацию. На начальном этапе с помощью вычислителя 54 осуществляется поиск основных синхронизирующих последовательностей, маркирующих начало блоков. Поиск осуществляется сравнением пиков корреляционной функции с пороговым значением. Данный коррелятор работает при минимальном рабочем отношении сигнал/шум. После привязки по времени для каждого из блоков проводится корреляция с дополнительными синхронизирующими последовательностями, маркирующими сброс расширяющей псевдослучайной последовательности.

С выхода модуля 39 блоковой синхронизации сигнал поступает на модуль эквалайзера и сужения спектра 40. Эквалайзер обеспечивает работоспособность в условиях многолучевого распространения радиоволн (характерного для радиоканала в условиях пересеченной либо гористой местности и города), устраняя межсимвольную интерференцию. В качестве эквалайзера может быть использован, например, эквалайзер с обратной связью по решению и обучением. Сужение спектра достигается снятием расширения путем умножения на расширяющую псевдослучайную последовательность (ПСП), идентичную использованной в передатчике.

Эквализированные данные в виде квадратур, пройдя модуль 41 вычисления отношения правдоподобия, поступают на демодулятор 22. Демодулированный сигнал поступает на деперемежитель 42, например, сверточного типа реализованный посредством памяти с удвоенной скоростью передачи данных с заданной вычислителем 54 глубиной. Это позволяет обеспечить устойчивость к глубоким замираниям и импульсным широкополосным помехам в канале связи, при воздействии которых весь спектр искажен продолжительное время. Отсчеты в деперемежителе 42 проходят через линии задержки разной длины, реализованные посредством различных моментов времени записи и чтения из памяти с удвоенной скоростью передачи данных. Таким образом, восстанавливается исходная последовательность отсчетов. Перемежение позволяет избежать групп следующих подряд ошибочных битов (групповых ошибок) на входе декодера 44. Это дает возможность декодеру 44, имеющему ограничение на количество ошибочных битов обнаружить и исправить ошибки.

С выхода деперемежителя 42 отсчеты поступают на модуль 43 добавления случайных битов вместо выколотых на передающей стороне. Выкалывание (отбрасывание) кодированных битов, произведенное в передатчике, позволяет изменять кодовую скорость, таким образом обеспечивая увеличение информационной скорости. Это дает возможность для любого отношения сигнал/шум подобрать информационную скорость, близкую к предельной. Для каждого коэффициента выкалывания в вычислителе 54 подобран определенный полином, обеспечивающий наименьшую вероятность ошибки на бит.

Затем отсчеты поступают на декодер 44, выполненный, например, как турбодекодер с кодовой скоростью, например, 1/3. Помехоустойчивый код, работающий вблизи границы Шеннона, обеспечивает увеличение энергетической эффективности системы и увеличивает устойчивость к помехам.

С выхода турбодекодера 44 (Вых. 2 блока ЦОС) декодированные биты через выходной каскад 30, где приобретают требуемую форму, поступают на информационный выход 8 радиомодема.

Для обеспечения связи во всех направлениях без использования информации о взаимном расположении передатчика и приемника диаграмма направленности приемо-передающей антенны 16 должна быть круговой по азимуту. А чтобы повысить помехозащищенность и дальность связи, диаграмма направленности антенны может быть узкой (секторной) в направлении на вызываемого абонента.

Программные модули вычислителя 54 управления псевдослучайной перестройкой рабочей частоты и реализации технологии «когнитивное радио» осуществляют псевдослучайную перестройку широкополосного сигнала во всем диапазоне рабочих частот (или в выбранных оператором поддиапазонах). При этом модуль реализации технологии «когнитивное радио» в реальном масштабе времени анализирует наилучшие с точки зрения распространения радиоволн и отсутствия помех частоты, после чего связь осуществляется только на выбранном наборе частот. Набор частот адаптируется в реальном масштабе времени, перестройка по частотам из набора осуществляется методом псевдослучайной перестройкой рабочей частоты.

Управление и контроль соответствующих электронных узлов радиомодема вычислителем 54 осуществляется через ВСУ 55, которая может быть выполнена по протоколу Ethernet или иному [4, 5]. Фильтры в радиомодеме не управляются вычислителем 54, так как они имеют свои посадочные места и заменяются только при изменении требований к параметрам радиомодема, например, смене диапазона и т.п.

Радиомодем позволяет:

- автоматически в реальном масштабе времени выбирать вероятностно оптимальные на данный момент времени частоты на основании мониторинга радиочастотного спектра на наличие помех;

- осуществлять псевдослучайную перестройку рабочих частот;

- автоматически перестраивать широкополосный сигнал по рабочим частотам, выбранным с использованием технологии «когнитивное радио», чем обеспечивается уход от преднамеренного подавления;

- адаптироваться к условиям распространения в многолучевом радиоканале за счет автоматического изменения параметров используемой сигнально-кодовой конструкции, обеспечивая требуемую дальность и устойчивость связи;

- осуществлять работу эквалайзера в приемном тракте при уровне сигнала ниже уровня шумов в многолучевом радиоканале (работа вблизи границы Шеннона), чем обеспечивается высокая скрытность и помехоустойчивость.

За счет получаемой энергетической эффективности выбранный метод фазовой модуляции со сдвигом квадратур, подвергнутых фильтрации, позволяет приблизиться к теоретическому пределу в решении задачи обеспечения беспроводной цифровой полнодуплексной передачи информации между удаленными устройствами, таким образом реализуя близкую к максимально возможной при заданной мощности и полосе пропускания дальность связи, скорость передачи информации, экономию энергии бортового источника питания.

Узлы, входящие в блок ЦОС, могут быть выполнены на серийных ИМС -ПЛИС с количеством логических ячеек порядка 400 тысяч под управлением программного обеспечения, входящего в состав. Вычислитель 54 может быть реализован, например, на плате процессорной 5066-586-133MHz-1MB, 2 MB Flash CPU Card фирмы Octagon Systems, а остальные узлы - на серийных электрорадиоэлементах.

В настоящее время изготовлен и проходит испытания опытный образец радиомодема.

Литература:

1. Патент РФ на изобретение №2460215, опубл. 27.08.2012, Бюл. №24.

2. Патент РФ на изобретение №2439820, опубл. 10.01.2012, Бюл. №1.

3. Патент РФ на полезную модель №102445, опубл. 27.02.2011, Бюл. №6, прототип.

4. Эрглис К.Э. Интерфейсы открытых систем. - М.: Горячая линия-Телеком, 2000. - 240 с.

5. Мячев А.А. Интерфейсы средств вычислительной техники. Энциклопедический справочник. - М.: Радио и связь, 1993. - 350 с.

6. Myburgh Н.С., Olivier J.С.Near-optimal low complexity MLSE equalization // IEEE. Wireless Communications and Networking Conference. 2008. P. 226-230.

Изобретение относится к средствам организации обмена данными между разнесенными абонентами. Технический результат изобретения заключается в повышении помехозащищенности и помехоустойчивости устройства. Такой результат обеспечивается за счет использования адаптивных алгоритмов и программно-аппаратных решений, позволяющих проводить оценку качества частотного канала с автоматическим переходом на вероятностно-оптимальные частоты в заданном диапазоне и изменением параметров используемой сигнально-кодовой конструкции с применением элементов технологии «когнитивное радио», дополненных методами расширения спектра методом прямой последовательности, комбинированными с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты, применением турбокодов, эквалайзера с обратной связью по решению, спектрально и энергетически эффективного способа модуляции, перемежения. В радиомодем введены эквалайзер, управляемый вычислителем, при этом реализованы адаптивные алгоритмы управления каналом, используются турбокоды, методы расширения спектра сигнала и алгоритмы технологии «когнитивное радио». 2 ил.

Радиомодем, содержащий блок цифровой обработки сигнала (ЦОС), который снабжен сдвоенным аналого-цифровым преобразователем, сдвоенным цифро-аналоговым преобразователем, первым управляемыми аттенюатором, сумматором, модулятором и демодулятором, второй управляемый аттенюатор, три усилителя высокой частоты, усилитель мощности, пять полосовых фильтров, два узкополосных фильтра, синтезатор частоты, соответствующие выходы которого соединены с первым и вторым усилителями гетеродина, а вход - с генератором, при этом усилитель мощности через второй полосовой фильтр, коммутируемый вход/выход управляемого коммутатора соединен с приемопередающей антенной, выход управляемого коммутатора через третий полосовой фильтр соединен с последовательно связанными вторым усилителем высокой частоты, четвертым полосовым фильтром, третьим усилителем высокой частоты и вторым управляемым аттенюатором, отличающийся тем, что дополнительно содержит входной каскад, выход которого подключен к первому входу «Вх. 1» блока ЦОС, выходной каскад, вход которого подключен к второму выходу «Вых. 2» блока ЦОС, внутреннюю сеть управления (ВСУ), соединенную двухсторонними связями с вычислителем, блоком ЦОС, вторым усилителем высокой частоты, третьим усилителем высокой частоты, первым усилителем высокой частоты, усилителем мощности, синтезатором частот, входным каскадом, выходным каскадом, вторым управляемым аттенюатором и управляющими входами управляемого коммутатора, первый усилитель высокой частоты подключен к усилителю мощности через первый полосовой фильтр, второй усилитель высокой частоты выполнен в виде малошумящего усилителя, выходы первого и второго усилителей гетеродина через первый и второй узкополосные фильтры соответственно соединены с соответствующими входами «Вх. М» и «Вх. ДМ» блока ЦОС, вход пятого полосового фильтра подключен к выходу второго управляемого аттенюатора, выход пятого полосового фильтра подключен к второму входу «Вх. 2» блока ЦОС, вход первого усилителя высокой частоты связан с первым выходом «Вых. 1» блока ЦОС, первый вход «Вх. 1» блока ЦОС соединен с первым выходом «Вых. 1» блока ЦОС через цепочку последовательно соединенных кодера, выкалывателя битов, перемежителя, модуля расширения спектров, формирователя блоков, модулятора с выходами квадратурных составляющих, первого управляемого аттенюатора, корректора амплитудно-частотной характеристики, сдвоенного цифро-аналогового преобразователя, двух параллельно включенных дифференциальных операционных усилителей и дифференциальных формирующих LC-фильтров, модулятора квадратур, на модулирующий вход которого подается сигнал входа блока ЦОС «Вх. М», при этом входы/выходы управления и контроля кодера, выкалывателя битов, перемежителя, модуля расширения спектров, формирователя блоков, модулятора с выходами квадратурных составляющих, первого управляемого аттенюатора, корректора амплитудно-частотной характеристики, сдвоенного цифро-аналогового преобразователя, двух параллельно включенных дифференциальных операционных усилителей, дифференциальных формирующих LC-фильтров и модулятора квадратур подключены двухсторонними связями к ВСУ, второй вход «Вх. 2» блока ЦОС соединен с вторым выходом «Вых. 2» блока ЦОС через цепочку последовательно соединенных демодулятора квадратур с выходами квадратурных составляющих, второй вход которого подключен к входу «Вх. ДМ» блока ЦОС, сдвоенных дифференциальных усилителей, двух параллельно включенных дифференциальных фильтров, сдвоенных аналого-цифровых преобразователей, сумматора, модуля устранения постоянной составляющей, модуля логарифмической автоматической регулировки усиления, согласованного фильтра с амплитудно-частотной характеристикой, моделирующей корень из приподнятого косинуса, модуля восстановления несущей, модуля восстановления тактовой частоты, модуля устранения постоянной составляющей, модуля блоковой синхронизации, модуля эквалайзера и сужения спектра, модуля вычисления отношения правдоподобия, демодулятора, деперемежителя, модуля добавления выколотых битов, декодера, при этом входы/выходы управления и контроля демодулятора квадратур с выходами квадратурных составляющих, сдвоенных дифференциальных усилителей, сдвоенных аналого-цифровых преобразователей, сумматора, модуля устранения постоянной составляющей, модуля логарифмической автоматической регулировки усиления, модуля восстановления несущей, модуля восстановления тактовой частоты, модуля устранения постоянной составляющей, модуля блоковой синхронизации, модуля эквалайзера и сужения спектра, модуля вычисления отношения правдоподобия, демодулятора, деперемежителя, модуля добавления выколотых битов, декодера подключены двухсторонними связями к ВСУ, кроме того, второй вход/выход вычислителя является входом/выходом радиомодема для загрузки исходных данных и сопряжения с внешними системами, находящимися на носителе радиомодема, выход выходного каскада является информационным выходом радиомодема, а вход входного каскада является информационным входом радиомодема.