СПОСОБ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ КАНАЛА СВЯЗИ В СИСТЕМЕ СВЯЗИ С ШИРОКОПОЛОСНЫМИ СИГНАЛАМИ Российский патент 2024 года по МПК H04B17/00 

Изобретение относится к способам оценки состояния канала связи в системе связи с широкополосными сигналами [H04B17/00, H04B17/00].

Из уровня техники известно УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА КАНАЛА СВЯЗИ [RU2216865, опубл. 20.11.2003]. Изобретение относится к электросвязи и может быть использовано для контроля состояния дискретных каналов связи, подверженных воздействию помех, приводящих к появлению ошибок группового характера, с изменяющейся степенью группирования. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства, а именно в формировании на его выходе сигналов, пригодных как для контроля состояния канала связи, так и для управления его качеством. Устройство состоит из делителя тактовой частоты, первого и второго элементов И, первого, второго, третьего и четвертого регистров сдвига, элементов НЕ, триггера, первого, второго и третьего реверсивных счетчиков, вычитателя, делителя. В устройство также введены элемент задержки, первый и второй перемножители, формирователь множителей, сумматор и компаратор, благодаря которым осуществляется процедура экспоненциального сглаживания оценочного значения средней длины пакета ошибок, в результате которой достигается повышение точности оценки состояния канала связи в условиях воздействия помех, а также сглаживание частоты переключений выходного информационного сигнала между выходами устройства и уменьшение неоправданных временных потерь на перестройку аппаратуры.

Недостатком аналога является не адаптированность заявленного устройства к работе с широкополосными сигналами.

Из уровня техники известно ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ КАНАЛА ДЛЯ СИСТЕМ СВЯЗИ OFDM [RU2341023 опубл. 30.05.2005]Изобретение относится к методике оценки частотного отклика беспроводного канала в системе с ортогональным мультиплексированием с частотным разделением (OFDM). Технический результат заключается в создании методики более эффективной оценки отклика в системе OFDM и, в частности, в восходящей линии связи. Для этого начальная оценка частотного отклика беспроводного канала получена для первой группы поддиапазонов на основе передачи пилот-сигнала, принятой в поддиапазонах первой группы. Затем получают оценку импульсного отклика беспроводного канала, исходя из начальной оценки частотного отклика. Затем получают улучшенную оценку частотного отклика беспроводного канала для второй группы поддиапазонов на основе оценки импульсного отклика. Первая и вторая группы могут включать в себя все или только одну подгруппу используемых поддиапазонов. Поддиапазонное мультиплексирование может быть использовано для одновременных передач пилот-сигнала многими терминалами в связанных с ними.

Недостатком аналога является необходимость использования пилот сигналов для оценки состояния канала связи.

Наиболее близким по технической сущности является СПОСОБ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ КАНАЛА В ШИРОКОПОЛОСНОЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ [RU2700005 опубл. 12.09.2019], который характеризуется тем, что в передатчике системы передачи информации формируют опорные последовательности с расширенным спектром в частотных поддиапазонах широкополосного канала, а затем сформированные опорные последовательности с расширенным спектром комбинируют с информационной частью передаваемого символа. На приемной стороне системы передачи информации формируют эталонные последовательности для ожидаемого диапазона доплеровского масштабирования принимаемой опорной последовательности с расширенным спектром, производят когерентное детектирование эталонных последовательностей в принимаемом сигнале.

Основной технической проблемой прототипа является то, что он не позволяет получать информацию с оценкой о состоянии канала связи, а именно о уровне шума в канале связи, с высокой частотой, из-за того, что в заявленном способе не предусмотрено оценивание канала связи по заданному критерию.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Техническим результатом является обеспечение возможности получения информации с оценкой о зашумленности канала связи в системе связи с широкополосными сигналами, с частотой обратно пропорциональной длительности передаваемой составной псевдослучайной последовательности.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что способ оценки состояния канала связи в системе связи с широкополосными сигналами характеризуется тем, что осуществляется на длительности приема составной псевдослучайной последовательности, которая состоит из нескольких повторяющихся целое число раз псевдослучайных последовательностей, широкополосный сигнал с приемного устройства поступает на согласованный фильтр через сумматор, при этом согласованный фильтр настроен на прием одной повторяющейся части составной псевдослучайной последовательности, после обработки согласованным фильтром каждой очередной части составной псевдослучайной последовательности, с первого выхода согласованного фильтра задержанный сигнал подается на сумматор по цепи обратной связи, со второго выхода формируется сигнал с автокорреляционным пиком, который подается на амплитудный детектор, таким образом, на выходе согласованного фильтра формируется сигнал с нарастающими по амплитуде автокорреляционными пиками, который после преобразования в низкочастотный сигнал подается на пороговые устройства, у каждого из которых задано уникальное пороговое значение срабатывания, при этом перед приемом сигнала очередной составной псевдослучайной последовательности все пороговые устройства находятся в первом устойчивом состоянии, при превышении амплитуды пороговое устройство срабатывает, переходя во второе устойчивое состояние, по окончании приема одной составной псевдослучайной последовательности количество пороговых устройств, находящихся во втором устойчивом состоянии, суммируется и по посчитанной сумме оценивается состояние канала связи, при этом количество пороговых устройств равно количеству повторяющихся частей составной псевдослучайной последовательности, пороговые устройства переводятся в первое устойчивое состояние после приема каждой очередной составной псевдослучайной последовательности, сумматор в цепи обратной связи согласованного фильтра обнуляется после приема каждой очередной составной псевдослучайной последовательности.

В частности, преобразование в низкочастотный сигнал осуществляется посредством амплитудного детектора.

В частности, количество пороговых устройств, находящихся во втором устойчивом состоянии, суммируется посредством сумматора.

На фиг.1 показан схематично вариант организации системы связи для реализации заявленного способа.

На фиг. 2 показан пример сигнала с выхода согласованного фильтра для случая отсутствия шума в канале связи, без учета наличия обратной связи в согласованном фильтре.

На фиг. 3 показан пример сигнала с выхода согласованного фильтра для случая отсутствия шума в канале связи, с учетом наличия обратной связи в согласованном фильтре.

На фиг. 4 показан пример сигнала с выхода согласованного фильтра для случая наличия шума в канале связи, с учетом наличия обратной связи в согласованном фильтре.

На фиг. 5 пример реализации согласованного фильтра с сумматором.

На фигурах обозначено: 1 – источник сообщения; 2 – кодер; 3 – устройство расширения спектра; 4 – модулятор; 5 – передающее устройство; 6 – линия связи; 7 – приемное устройство; 8 – сумматор; 9 – согласованный фильтр; 10 – амплитудный детектор; 11 – пороговое устройство; 12 – второй сумматор; 13 – устройство управления; 14 – устройство вывода информации; 15 – устройство свертки спектра; 16 – демодулятор; 17 – декодер; 18 – получатель сообщения; 19 – элемент задержки; 20 – фазовращатель; 21 – сумматор согласованного фильтра.

В варианте реализации заявленный способ может быть реализован посредством системы связи, состоящей на передающей стороне из источника сообщений 1, который соединен с кодером 2, который соединен с устройством расширения спектра 3, которое соединено с фазовым модулятором 4, который соединен с передающим устройством 5.На выходе передающего устройства 5 смонтированы не менее одной передающей антенны, выполненной с возможностью излучения радиосигнала в свободное пространство. Свободное пространство между передающей и приемной частями рассматриваемой системы связи обозначено как линия связи 6. Указанная система связи на приемной стороне может быть реализована следующим образом. Приемное устройство 7, выполненное с не менее чем одной приемной антенной. Приемное устройство 7 одним из выходов 7 соединено с устройством свертки спектра 15, которое соединено с фазовым демодулятором 16, который соединен с декодером 17, который соединен с получателем сообщения 18.

Также приемное устройство 7 одним из выходов соединено с сумматором 8, выход которого соединен согласованным фильтром 9. Один из выходов согласованного фильтра(который представляет собой линию задержки) 9 по цепи обратной связи соединен с сумматором 8. Другой выход согласованного фильтра 9 (на котором формируются автокорреляционные пики) соединен с амплитудным детектором 10. Амплитудный детектор 10 соединен с пороговыми устройствами 11. Каждое их пороговых устройств 11 соединено со вторым сумматором 12. Также каждое их пороговых устройств 11 соединено с устройством управления 13, которое также соединено с сумматором 8. Второй сумматор 12 соединен с устройством вывода информации 14.

Пороговые устройства 11 выполнены с двумя устойчивыми состояниями. В первом устойчивом состоянии пороговое устройство находиться в том случае, когда с амплитудного детектора 10 поступают значения амплитуд меньше заданного порогового значения. Во второе устойчивое состояния пороговое устройство переводиться в том случае, когда с амплитудного детектора 10 поступило значение амплитуды больше либо равное заданному пороговому значению. При этом пороговые устройства 11 после перехода во второе устойчивое состояние не имеют возможности самостоятельно перейти в первое устойчивое состояние. Пороговые значения в пороговых устройствах 11 различны.

Устройство управления 13 выполнено с возможностью подачи периодических сигналов на пороговые устройства 11 по принудительному их переводу в первое устойчивое состояние. Также Устройство управления 13 выполнено с возможностью подачи периодических сигналов на обнуление сумматора 8.

В варианте реализации пороговые устройства 11 выполнены в виде триггеров Шмидта.

Заявленный способ реализуется следующим образом.

В штатном режиме работы система связи способна поддерживать канала связи между источником с сообщения 1 и получателем сообщения 18 в постоянной готовности, путем постоянного (непрерывного) ведения радиообмена широкополосными(и в варианте реализации низкоуровневыми) сигналами.

Первоначально, при начале работы, формируют устойчивый канал связи между приемной и передающей стороной. Для формирования устойчивого канала реализует типовой набор процедур, обеспечивающих вхождение в связь, таких как: поиск оптимальных рабочих частот, временная, тактовая, частотная, фазовая синхронизация принимаемого и передающего сигналов, регулировка мощности и т.д.

Одной из процедур, реализуемых при передаче информации, по системе связи является формирование, передача и прием составной псевдослучайно последовательности (ПСП). Составная ПСП имеет специфическую структуру и состоит из некоторого целого числа, следующих друг за другом одинаковых повторяющихся ПСП относительно малой длины).

Таким образом, типовая схема ведения радиообмена характеризуется тем, что источник сообщения 1 передает формализованное (в виде двоичной последовательности) сообщение в кодер 2, который вносит во входящую информацию дополнительную избыточность. Далее устройство расширения спектра 3 формирует на выходе широкополосный сигнал с заданной базой (в соответствии с длиной составной ПСП), после чего модулятор 4 переносит сигнал в область высоких частот, (формируя высокочастотное колебание). Через линию связи 6 сигнал попадает на приемное устройство 7, где происходит обратная процедура обработки сигнала. Устройство свертки спектра 15 формирует на выходе узкополосный сигнал, который после прохождения демодулятора 16 переносится в низкочастотную область, далее через декодер 17 сигнал поступает к получателю сообщения 18.

Заявленный способ характеризуется тем, что в дополнение к типовой схеме радиообмена высокочастотный принимаемый широкополосный сигнал поступает с приемного устройства 7 также на согласованный фильтр 9 через сумматор 8. Согласованный фильтр 9 настроен на прием повторяющейся части составной ПСП.

Рассмотрим алгоритм работы согласованного фильтра 9 с сумматором 8 на примере.

Пусть на вход согласованного фильтра 9 поступает составная ПСП из трех неповторяющихся частей, где неповторяющаяся часть представлена следующей последовательностью: 0110001. Таким образом, составная ПСП целиком выгляди следующим образом: 011000101100010110001.

При типовой работе согласованного фильтра 9 (без наличия обратной связи с сумматором 8), с выхода амплитудного детектора 10будет зафиксирован сигнал с тремя автокорреляционными пиками одинаковой амплитуды (схематично показано на фиг.2).

В заявленном решении, при приеме перовой повторяющейся части составной ПСП на одном выходе согласованного фильтра 9 (который выполнен после фазовращателей и сумматора) будет сформирован высокочастотный сигнал с ярко выраженным автокорреляционным пиком, на другом выходе согласованного фильтра (который выполнен после линии задержки) сформируется задержанный на длительность следования неповторяющейся части ПСП сигнал, данный сигнал подают посредством обратной связи на сумматор 8, где он в фазе складывается со второй повторяющейся частью. После прохождения согласованного фильтра 9 таким сигналом на одном из выходов будет сформирован высокочастотный сигнал с ярко выраженным автокорреляционным пиком (который в два раза больше первого). При этом с другого выхода (после линии задержки) задержанный и усиленный сигнал снова подается посредством обратной связи на сумматор 8, где он снова в фазе складывается с третьей повторяющейся частью составной ПСП. После прохождения согласованного фильтра 9, в таком случае, будет сформирован высокочастотный сигнал с ярко выраженным автокорреляционным пиком который в три раза больше первого автокорреляционного пика. В таком случае сигнал на выходе амплитудного детектора 10 (после переноса сигнала в низкочастотную область, путем устранения высокочастотных составляющих сигнала) будет выглядеть следующим образом (фиг. 3).

Из вышеизложенного следует, что в отсутствии шумов в линии связи 6, на выходе согласованного фильтра 9 на периоде длительности сигнала составной ПСП мы будем получать сигнал с последовательно нарастающими амплитудами , где A – амплитуда автокорреляционного пика, получаемого без учета обратной связи согласованного фильтра 9; n – количество повторяющихся составных частей ПСП.

В присутствии шумов значения амплитуд на выходе согласованного фильтра 9 будут принимать меньшие значения и находиться в диапазонах для U₁ от 0 до A; для U₂ от 0 до 2A;… для U_n от 0 до nA.

Когда последовательно нарастающие амплитуды (на времени длительности одной составной ПСП) попадут после амплитудного детектора 10 на пороговые устройства 11, то дальнейшая реализация заявленного способа будет представлять следующее: если значение амплитуды одного из автокорреляционных пиков превышает пороговое значение запрограммированное в пороговом устройстве 11, то осуществится переход триггера 11 во втрое устойчивое состояние; если же значение амплитуды не превышает пороговое значение, то триггер 11 останется в первом устойчивом состоянии. Второй сумматор 12 будет считать количество триггеров 11, находящихся во втором устойчивом состоянии и передавать эту информацию на устройства вывода информации 14.

Рассмотри работу порогового устройства 11 на примере составной ПСП из трех частей (фиг. 3). Пусть амплитуда автокорреляционного пика без учета обратной связи A = 1 (В).

В таком случае имеем три пороговых устройства 11, например, со следующими пороговыми значениями амплитуд:

При приеме сигнала без шума мы будем иметь на приеме три последовательных пика со следующими амплитудами

тогда последовательно сработают все три пороговых устройства 11 и на устройстве вывода информации 14 отобразится об этом соответствующая информация – «оценка канала связи три из трех».

При приеме сигнала с малым шумом (пример как схематично показано на фиг. 4) будут внесены искажения в принимаемый сигнал, в таком случае мы, например, будем иметь на входе три последовательных автокорреляционных пика со следующими амплитудами

тогда последовательно сработают два пороговых устройства 11 и на устройстве вывода информации 14 отобразится соответствующая информация – «оценка канала два три из трех».

При приеме сигнала со средним шумом также будут внесены искажения в принимаемый сигнал, в таком случае мы, например, будем иметь на приеме три последовательных пика со следующими амплитудами

тогда сработает одно пороговое устройство 11 и на устройстве вывода информации 14 отобразится соответствующая информация – «оценка канала один три из трех».

При приеме сигнала с высоким шумом также будут внесены искажения в принимаемый сигнал, в таком случае мы, например, будем иметь на приеме три последовательных пика со следующими амплитудами

тогда не сработает не одно пороговое устройство 11 и на устройстве вывода информации 14 отобразится соответствующая информация – «оценка канала ноль три из трех».

В то же время, как только проходит время длительности одной составной ПСП устройство управления 13 переводит все пороговые устройства 11 в первое устойчивое состояние и обнуляет сумматор 8. Очевидно, что в таком режиме работы частота обновления информации о состоянии канала связи обратно пропорциональна времени передачи одной составной ПСП.

Заявленный способ может быть реализован с согласованными фильтрами 9 аналогового типа построенных на основе элементов линии задержки 19 фазовращателей 20 и сумматора согласованного фильтра 21[https://studfile.net/preview/3577880/page:18/].

Заявленный способ может быть реализован как в соответствии с указанной системой связи (когда оценка состояния канала связи проводится параллельно приему информации), так и отдельно (без приема информации).

Очевидно, что точность оценки канала связи может быть увеличена за счет увеличения количества повторяющихся частей составной ПСП, в таком случае количество повторяющихся частей будет соответствовать количеству используемых пороговых устройств 11, что также будет соответствовать количеству уровней оценки. При этом, с возрастанием точности оценки – будет уменьшаться частота обновления информации о состоянии канала связи. В таком случае, наиболее оптимальным вариантом является использование ПСП малой длительности, например7,15,31 или 63.

В вариантах реализации заявленного способа могут быть выбраны различные пороговые значения для перехода пороговых устройств 11 во второе устойчивое состояние, выбор конкретных значений может быть получен на основе экспериментальных данных о состоянии канала связи, так для каналов связи с высоким уровнем помех (отношение сигнал/шум менее 3 дБ) наиболее эффективным будет использование пороговых значений от 0,3xА до 0,5xА (где А – это максимальное значение амплитуды принимаемого с выхода согласованного фильтра 9 сигнала в отсутствии шумов), например: первое пороговое значение: 0,5*А; второе пороговое значение: 0,5x2xА; n-е пороговое значение: 0,5xnxА.

Для каналов связи со средним уровнем помех (отношение сигнал/шум менее 8 дБ) наиболее эффективным будет использование пороговых значений от 0,5А до 0,8А например: первое пороговое значение: 0,7xА; второе пороговое значение: 0,7x2xА; n-е пороговое значение: 0,7xnxА.

Для каналов связи с низким уровнем помех (отношение сигнал/шум менее 8 дБ) наиболее эффективным будет использование пороговых значений от 0,8А до 0,95А например: первое пороговое значение: 0,9xА; второе пороговое значение: 0,9x2xА; n-е пороговое значение: 0,9xnxА.

Также в зависимости от специфики канала связи и специфики требуемой оценки (например, когда требуется чтобы шкала оценивания была нелинейной (неоднородной) коэффициенты при расчёте пороговых значений могут быть выбраны не одинаковыми, например: первое пороговое значение: 0,5*А; второе пороговое значение: 0,8*2*А; третье пороговое значение: 0,9*n*А. (в таком случае преодоление первого порога может считаться приемлемым качеством канала, достаточным для ведения радиообмена, преодоление второго порога – отличным состоянием канала связи при котором можно увеличивать скорость передачи сообщения в два раза, третьим порогом – отличным состоянием, при котором при котором можно увеличивать скорость передачи сообщения в три раза.

Заявленный технический результат – обеспечение возможности получения информации с оценкой о зашумленности канала связи в системе связи с широкополосными сигналами, с частотой обратно пропорциональной длительности передаваемой составной псевдослучайной последовательности, достигается за счет того, что новая оценка формируется после приема каждой очередной составной ПСП, что позволяет получать через устройство вывода информации 14 актуальную информацию о состоянии канала связи с минимальной временной задержкой. При этом оценка формируется за счет уменьшения значений амплитуд автокорреляционных пиков при воздействии шума в канале связи.

Например: длительность передачи символов в системе связи составляет 1x10^-6(с), пусть используется многосоставная ПСП, состоящая из трех повторяющихся ПСП «0110001», таким образом база сигнала будет 7x3=21. В таком случае, длительность передачи широкополосного сигнала закодированного одной составной ПСП составляет 2,1x10^-5(c). В таком случае частота обновления информации с оценкой состояния канала связи будет оставлять 4,76*10⁴ (Гц).

Также заявленный способ позволят тонко настроить параметры оценивания, а именно: величину шкалы оценивания – путем увеличения или уменьшения количества повторяющихся ПСП в составной ПСП, и чувствительность шкалы оценивания – путем подбора и настройки пороговых значений. Кроме этого (также за счет подбора и настройки пороговых значений пороговых устройств 11) обеспечивается возможность адаптации заявленного способа под качество канала связи, а также возможность выбора нелинейной шкалы оценивания канала связи.

Изобретение относится к способам оценки состояния канала связи. Техническим результатом является повышение частоты обновления информации с оценкой состояния канала связи. Он достигается за счет того, что способ оценки состояния канала связи в системе связи с широкополосными сигналами характеризуется тем, что осуществляется на длительности приема составной псевдослучайной последовательности. Широкополосный сигнал с приемного устройства поступает на согласованный фильтр через сумматор, после обработки согласованным фильтром каждой очередной части составной псевдослучайной последовательности, с первого выхода согласованного фильтра задержанный сигнал подается на сумматор по цепи обратной связи, со второго выхода формируется сигнал с автокорреляционным пиком, который подается на амплитудный детектор. Таким образом, формируется сигнал с нарастающими по амплитуде автокорреляционными пиками, который подается на пороговые устройства, по окончании приема одной составной псевдослучайной последовательности количество сработавших пороговых устройств суммируется и по посчитанной сумме оценивается состояние канала связи. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ оценки состояния канала связи в системе связи с широкополосными сигналами, характеризующийся тем, что осуществляется на длительности приема составной псевдослучайной последовательности, которая состоит из нескольких повторяющихся целое число раз псевдослучайных последовательностей, широкополосный сигнал с приемного устройства поступает на согласованный фильтр через сумматор, при этом согласованный фильтр настроен на прием одной повторяющейся части составной псевдослучайной последовательности, после обработки согласованным фильтром каждой очередной части составной псевдослучайной последовательности, с первого выхода согласованного фильтра задержанный сигнал подается на сумматор по цепи обратной связи, со второго выхода формируется сигнал с автокорреляционным пиком, который подается на амплитудный детектор, таким образом, на выходе согласованного фильтра формируется сигнал с нарастающими по амплитуде автокорреляционными пиками, который после преобразования в низкочастотный сигнал подается на пороговые устройства, у каждого из которых задано уникальное пороговое значение срабатывания, при этом перед приемом сигнала очередной составной псевдослучайной последовательности все пороговые устройства находятся в первом устойчивом состоянии, при превышении амплитуды пороговое устройство срабатывает, переходя во второе устойчивое состояние, по окончании приема одной составной псевдослучайной последовательности количество пороговых устройств, находящихся во втором устойчивом состоянии, суммируется и по посчитанной сумме оценивается состояние канала связи, при этом количество пороговых устройств равно количеству повторяющихся частей составной псевдослучайной последовательности, пороговые устройства переводятся в первое устойчивое состояние после приема каждой очередной составной псевдослучайной последовательности, сумматор в цепи обратной связи согласованного фильтра обнуляется после приема каждой очередной составной псевдослучайной последовательности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что преобразование в низкочастотный сигнал осуществляется посредством амплитудного детектора.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество пороговых устройств, находящихся во втором устойчивом состоянии, суммируется посредством сумматора.