УСТРОЙСТВО ДЛЯ 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 [RU 2216865 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 [RU 2341023 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 ВШИРОКОПОЛОСНОЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ [RU 2700005 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, также проблемой прототипа является то, что при оценке состояния канала связи отсутствует возможность передачи информации о состоянии канала связи на передающую стороны для возможности изменения базы ШПС сигнала.

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; с обеспечением возможности передачи информации о состоянии канала связи на приемную сторону для изменения базы широкополосного сигнала.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что устройство для оценки состояния канала связи в системе связи с широкополосными сигналами характеризуется, тем что соединено с выходом приемного устройства на приемной стороне, при этом выход приемного устройства соединен с первым входом сумматора, выход сумматора соединен со входом согласованного фильтра, первый выход согласованного фильтра, который представляет из себя линию задержки по цепи обратной связи соединен со вторым входом сумматора, второй выход согласованного фильтра, на котором формируется сигнал с автокорреляционными пиками, соединен с амплитудным детектором, амплитудный детектор соединен с пороговыми устройствами, каждое их пороговых устройств соединено со вторым сумматором, второй сумматор соединен с устройством вывода информации и вторым пороговым устройством, второе пороговое устройство через передающий тракт соединено с передающей антенной, выполненной с возможностью передачи информации о необходимости корректировки базы сигнала на формирователе базы сигнала на передающей стороне, устройство управления соединено с каждым из пороговых устройство, также устройство управления соединено со вторым пороговым устройством и сумматором.

На фиг. 1 показан схематично вариант организации системы связи, в котором реализовано устройство для оценки состояния канала связи в системе связи с широкополосными сигналами.

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 фиг. 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;22 – второе пороговое устройство; 23 – передающая антенна; 24 – приемная антенна; 25 – формировать базы сигнала.

Заявленное устройство может быть использовано для 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.

Устройство для оценки состояния канала связи в системе связи с широкополосными сигналами характеризуется тем, что сумматор устройства 8 соединен с одним из выходов приемного устройства 7. Выход сумматора 8соединен 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 и вторым пороговым устройством 22.

Второй сумматор 12 соединен с устройством вывода информации 14 и вторым пороговым устройством 22, которое соединено с передающей антенной 24, которая выполнена с возможностью передачи информации по выделенному радиоканалу на приемную антенну 24 (которая располагается на передающей стороне). При этом приемная антенна 24 соединена с формирователем базы сигнала 25, который соединен с устройством расширения спектра 3.

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. Также устройство управления 13 выполнено с возможностью подключения/отключения дополнительных пороговых устройств 11.Также устройство управления 13 выполнено с возможностью изменения пороговых значений пороговых устройств 11 и второго порогового устройства 22.

Второе пороговое устройство 22 выполнено с возможностью передачи управляющего воздействия на передающую антенну 23 (через передающий тракт – на фиг. не показан), при превышении установленного порогового значения.

Формирователь базы сигнала 25 выполнен с возможностью увеличения или уменьшения базы широкополосного сигнала, который формирует устройство расширения спектра 3.

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

Оценка состояния канала реализована 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 (при этом длина базы сигнала задается в формирователе базы сигнала 25 в соответствии с длиной используемой 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. База ШПС сигнала в таком случае составляет 21.

При типовой работе согласованного фильтра 9 (без наличия обратной связи с сумматором 8), с выхода амплитудного детектора 10 будет 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_nот 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. Также второй сумматор будет передавать информацию о состоянии канала связи на второе пороговое устройство 22.

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.

Рассмотрим работу устройства при поступлении информации о состоянии канала связи с второго сумматора 12 на второе пороговое устройство 22.

В случае если поступающее значение со второго сумматора 12 больше порогового значения, работа системы связи остается неизменной. В случае если поступающее значение со второго сумматора 12 меньше порогового значения, соответствующий сигнал подается на передающую антенну 23, которая передает соответствующий сигнал на приемную антенну 24, которая в свою очередь передает информацию на формирователь базы сигнала 25, который увеличивает базу сигнала на величину равную длительности неповторяющейся части составной ПСП.

Рассмотрим работу второго порогового устройства 2 на примере составной ПСП из трех частей (фиг. 3). Пусть пороговое значение на втором пороговом устройстве 2 равно двум. Пусть при оценке состояния канала связи длительное время оценка была не ниже «два из трех». Но из-за плохой погоды, оценка упала до «ноль из трех». В таком случае срабатывает второе пороговое устройство 22, передает соответствующую кодограмму на передающую антенну через передающий тракт (на фиг. не показан). Эта информация принимается приемной антенной 24, и через приёмный тракт (на фиг. не показан) передается на формирователь базы сигнала 25. При получении соответствующего сигнала, формирователь базы сигнала 25, увеличивает базу составной ПСП на величину равную длительности неповторяющейся части составной ПСП. Для нашего примера, это значит что новая база сигнала будет составлять 21+7=28. За счет увеличения базы сигнала уменьшается скорость передачи информации по основному тракту, но при этом улучшается помехозащищённость канала связи. Далее алгоритм оценки корректируется с учетом того, что составная ПСП состоит из четырех повторяющихся частей. Устройство управления 13 подключает еще одно дополнительное пороговое устройство 11 для работы, при необходимости меняет пороговые значения на пороговых устройствах 11 и втором пороговом устройстве 22. Таким образом при корректировке базы составного ПСПС сигнала оценка состояния канала связи может варьироваться от «ноль из четырех» до «четыре из четырех».

В различных вариантах реализации второе пороговое устройство может быть выполнено с двумя пороговыми значениями, для возможности как увеличивать, так и уменьшать базу ШПС сигнала, работая при этом с каналом связи с требуемым качеством (отношением сигнал/шум).

Оценка состояния канала связи может быть реализована 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).

Выделенный радиоканал между передающей антенной 23 и приемной антенной 24 может быть организован на частотах отличных от основного радиотракта, при этом мощность передатчика передающей антенны 23 может быть существенно выше передающей антенны передающего устройства 5. Также для того чтобы гарантированно довести информацию о необходимости изменения базы сигнала, возможно использования различных алгоритмов помехоустойчивого кодирования (с большой избыточностью) так как дополнительный выделенный канал предназначен для передачи относительно редко относительно малых объемов информации, в отличие от основного, где поддерживается постоянная передача ШПС сигналов.

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; с обеспечением возможности передачи информации о состоянии канала связи на приемную сторону для изменения базы широкополосного сигнала, 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 1×10^-6(с), пусть используется составная ПСП состоящая из трех повторяющихся ПСП «0110001», таким образом, база сигнала будет 7×3=21. В таком случае, длительность передачи широкополосного сигнала закодированного одной составной ПСП составляет 2,1×10^-5(c). В таком случае частота обновления информации с оценкой состояния канала связи будет оставлять 4,76×10⁴ (Гц).

Также заявленный технический результат достигается благодаря наличию второго порогового устройства 22 (соединенного с устройством управления 13) которое соединено с передающей антенной 23, выполненной с возможности передачи сигнала на формирователь базы сигнала 25 (который соединен с устройством расширения спектра 3 на передающей стороне) для изменения базы ШПС сигнала.

Изобретение относится к оценке состояния канала связи в системе связи. Техническим результатом является возможность оценки зашумленности канала связи и обеспечение возможности передачи информации о состоянии канала связи для изменения базы широкополосного сигнала. Для этого предложено устройство для оценки состояния канала связи, которое соединено с выходом приемного устройства на приемной стороне, при этом выход приемного устройства соединен с первым входом сумматора, выход сумматора соединен со входом согласованного фильтра, первый выход согласованного фильтра, который представляет из себя линию задержки по цепи обратной связи, соединен со вторым входом сумматора, второй выход согласованного фильтра соединен с амплитудным детектором, амплитудный детектор соединен с пороговыми устройствами, каждое их пороговых устройств соединено со вторым сумматором, второй сумматор соединен с устройством вывода информации и вторым пороговым устройством, второе пороговое устройство через передающий тракт соединено с передающей антенной, выполненной с возможностью передачи информации о необходимости корректировки базы сигнала на формирователе базы сигнала на передающей стороне. 5 ил.

Устройство для оценки состояния канала связи в системе связи с широкополосными сигналами, характеризующееся тем, что соединено с выходом приемного устройства на приемной стороне, при этом выход приемного устройства соединен с первым входом сумматора, выход сумматора соединен со входом согласованного фильтра, первый выход согласованного фильтра, который представляет из себя линию задержки по цепи обратной связи, соединен со вторым входом сумматора, второй выход согласованного фильтра, на котором формируется сигнал с автокорреляционными пиками, соединен с амплитудным детектором, амплитудный детектор соединен с пороговыми устройствами, каждое из пороговых устройств соединено со вторым сумматором, второй сумматор соединен с устройством вывода информации и вторым пороговым устройством, второе пороговое устройство через передающий тракт соединено с передающей антенной, выполненной с возможностью передачи информации о необходимости корректировки базы сигнала на формирователе базы сигнала на передающей стороне, устройство управления соединено с каждым из пороговых устройств, также устройство управления соединено со вторым пороговым устройством и сумматором.