Адаптивная система связи с шумоподобными сигналами

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для передачи информации шумоподобными сигналами в системах связи с большим динамическим диапазоном принимаемых сигналов. Техническим результатом является расширение допустимого динамического диапазона принимаемых сигналов. Передатчик системы содержит генератор несущей и тактовой частот, генератор псевдослучайной последовательности (ПСП), формирователь ортогональной ПСП, два умножителя, фазовый манипулятор, фазовращатель на 90°, блок фазирования, регулятор тактовой частоты, ключ, управляемый передающий фильтр. Приемник системы содержит два умножителя, два полосовых фильтра, фазовый детектор, формирователь ортогональной ПСП, генератор ПСП, блок фазирования и блок синхронизации, блок разделения шумоподобных сигналов, блок синхронизации с низкой тактовой частотой и решающий блок. В систему введен обратный канал, аналогичный прямому, содержащий на выходе и на входе приемник и передатчик. Передача информации осуществляется шумоподобным сигналом, занимающим полосу в N раз более узкую, чем полоса сигнала синхронизации, при этом достигается частотное разделение сигналов всех абонентов с сохранением той же величины сигнала за счет снижения тактовой частототы в N раз и увеличения времени накопления в N раз. 2 ил.

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для передачи информации шумоподобными сигналами в системах связи с большим динамическим диапазоном принимаемых сигналов.

Известны системы радиосвязи, использующие шумоподобные сигналы.

Указанные системы используют шумоподобные фазоманипулированные сигналы на базе М-последовательностей, обеспечивают скрытую радиосвязь и подавление импульсных и сосредоточенных помех в Б раз, где Б - база сигнала.

При использовании шумоподобных сигналов (ШПС) в асинхронных системах связи на помехоустойчивость поиска и приема информации существенное влияние оказывают взаимные помехи, обусловленные воздействием на приемное устройство сигналов мешающих абонентов, входящих в данную систему связи и имеющих другую структуру.

Наличие взаимных (структурных) помех приводит к нарушению режима работы.

В случае одной структурной помехи допустимый уровень превышения мешающего сигнала Sn над полезным S в режиме поиска определяется соотношением

(монография под редакцией В.Б.Пестрякова "Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. Москва: Сов. радио, 1973 г. стр.387), где Д - динамический диапазон принимаемых сигналов.

Асинхронные системы связи с подвижными абонентами обычно работают в условиях большого динамического диапазона (Д=100÷140 дБ).

Как видно из формулы (1) при Д=100÷140 дБ, требуемая величина базы сигнала составляет величину Б=10 ¹¹÷10¹⁵.

При увеличении числа мешающих ШПС требуемая величина базы сигнала растет пропорционально числу абонентов (Л.Е.Варакин "Теория систем сигналов", Москва: Сов. радио, 1978 г., стр.90). Так при числе абонентов в системе связи N=100 для обеспечения требуемого динамического диапазона системы Д=100÷140 дБ необходимо иметь величину Б=10¹³÷10¹⁸.

Указанные величины базы сигнала нельзя практически реализовать.

Приведенные примеры показывают, что перечисленные системы связи с шумоподобными сигналами не могут быть использованы в асинхронных системах связи с подвижными абонентами.

В качестве прототипа предлагаемого изобретения выбрана аппаратура связи по авт. св. №300946, МКИ Н 03 С 3/40, авторы Перьков В.В., Яковлев А.А. "Аппаратура для передачи дискретной информации".

Блок-схема прототипа приведена на фиг.1, где использованы следующие обозначения:

1 - генератор несущей и тактовой частот (ГНТЧ),

2 - формирователь ортогональной псевдослучайной последовательности (ФОПСП),

3 - генератор псевдослучайной последовательности (ГПСП),

4 - устройство фазирования,

5, 6 - умножители (УМ),

7 - фазовращатель на 90° (ФВ90°),

8 - фазовый манипулятор (ФМ),

9 - схема сложения,

10, 11 - умножители,

12 - формирователь ортогональной псевдослучайной последовательности (ФОПСП),

13 - генератор опорной и псевдослучайной последовательности (ГОПСП),

14 - устройство фазирования (УФ),

15 - устройство синхронизации (УС),

16, 17 - полосовые фильтры (ПФ),

18 - фазовый детектор (ФД).

Передатчик состоит из ГНТЧ 1, соединенный первым входом со входами ФОПСП 2 и ГПСП 3, выходы которых через умножители 5 и 6 соединены со схемой сложения 9, а второй выход ГНТЧ 1 соединен со входами ФВ 90° 7 и ФМ 8, выходы которых соединены со вторыми входами умножителей 5 и 6 соответственно, при этом вторые входы ФОПСП 2 и ГПСП 3 соединены с выходами УФ 4.

Приемник прототипа содержит умножители 10 и 11, первыми входами соединенные между собой, со входом устройства и с устройством синхронизации 15, а выходами через ПФ 16 и ПФ 17 к ФД 18, через ФОПСП 12 и ГОПСП 13 соединены со вторыми входами УМ 10 и 11, а выходы УФ 14 соединены со вторыми входами ФОПСП 12 и ГОПСП 13 соответственно.

Прототип работает следующим образом.

В передатчике ГНТЧ 1 формирует две частоты: тактовую частоту для ФОПСП 2 и ГПСП 3 и несущую частоту сигнала. Тактовая частота с выхода ГНТЧ 1 поступает на вход ФОПСП 2 и ГПСП 3, которые вырабатывают двоичные псевдослучайные последовательности. Эти последовательности представляют собой совокупность биполярных импульсов постоянного тока одинаковой величины и длительности, которая определяется величиной тактовой частоты.

Устройство фазирования 4 устанавливает сдвиговые регистры ФОПСП 2 и ГПСП 3 в одинаковые начальные состояния, что обеспечивает связь по фазе их псевдослучайных последовательностей. УФ 4 состоит из дешифраторов начальных состояний ФОПСП 2 и ГПСП 3 и импульсной схемы фазирования, которая обеспечивает совмещение их начальных состояний по фазе.

Псевдослучайная последовательность с выхода ФОПСП 2 поступает на умножитель 5. На второй вход УМ 5 через ФВ 90° 7 и с выхода ГНТЧ 1 поступает колебание несущей частоты, которое в УМ 5 умножается на псевдослучайную последовательность.

В результате на выходе УМ 5 образуется сигнал, представляющий собой колебание несущей частоты с постоянной амплитудой, манипулированное по фазе на 180° по закону псевдослучайной последовательности (ПСП). ПСП с выхода ГПСП 3 поступает на УМ 6, на второй вход которого через ФМ 8 с выхода ГНТЧ 1 поступает колебание несущей частоты. На выходе УМ 6 образуется сигнал, представляющий собой колебание несущей частоты с постоянной амплитудой, манипулированное по фазе на 180° по закону ПСП. В зависимости от знака передаваемой информации ФМ 8 осуществляет поворот фазы несущей частоты сигнала на выходе УМ 6 относительное несущей частоты сигнала на входе УМ 5 на 0° и 180°.

Таким образом, в зависимости от знака передаваемой информации несущие частоты этих сигналов сдвинуты между собой по фазе.

С выходов УМ 5 и 6 сигналы поступают на схему сложения 9, которая образует выходной сигнал передатчика, представляющий собой колебание несущей частоты с постоянной амплитудой, манипулированное по фазе на 0°, 90°, 180°, 270°, причем моменты манипуляции и порядок следования этих величин фаз определяются соотношением знаков элементов псевдослучайных последовательностей ФОПСП 2 и ГПСП 3 и передаваемой разностью фаз.

Со схемы сложения 9 сигнал поступает в высокочастотный передатчик и излучается в эфир.

Принимаемый сигнал с выхода высокочастотного приемника поступает на УМ 10 и 11, аналогичные УМ 5 и 6 передатчика.

В УМ 10 принимаемый сигнал умножается на ПОП, которую вырабатывает ФОПСП 12, аналогичный ФОПСП 2 передатчика.

Сигнал с выхода УМ (10) поступает на ПФ 16, который выделяет колебание несущей частоты сигнала.

В УМ 11 принимаемый сигнал умножается на ПСП, которую формирует ГОПСП 13, аналогичный ГПСП 3, передатчика. Сигнал с выхода УМ 11 поступает на ПФ 17, который выделяет манипулированное по фазе колебание несущей частоты сигнала. УФ 14, аналогичное УФ 4 передатчика, обеспечивает связь по фазе выходных последовательностей ФОПСП 12 и ГОПСП 13, соответствующую по фазе последовательностей ФОПСП 2 и ГПСП 3 передатчика.

ПСП, вырабатываемые генераторами в приемнике, синхронизируются с ПСП принимаемого сигнала с помощью УФ 15.

В качестве УФ используются известные устройства синхронизации, обеспечивающие синхронизм местных сигналов приемника с принимаемым сигналом на основе анализа функции взаимной корреляции принимаемого и местных сигналов.

Колебания несущей частоты с выходов ПФ 16 и 17 поступают на ФД 18, который измеряет информационную разность фаз между ними.

Ширина полосы ПФ 16 и 17 выбирается равной эффективной ширине спектра сообщения с запасом на нестабильность несущей частоты.

Недостатком прототипа, как было показано выше, является низкий допустимый динамический диапазон сигналов при использовании его в асинхронных системах связи.

Целью предлагаемого изобретения является повышение допустимого значения динамического диапазона принимаемых сигналов.

Указанная цель достигается введением в приемную аппаратуру регулятора тактовой частоты, коммутатора, ключа, управляемого передающего фильтра, в передающую аппаратуру - управляемого устройства разделения шумоподобных сигналов, устройства синхронизации с низкой тактовой частотой, а также решающего устройства и обратного канала, аналогичного прямому каналу.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

Пусть асинхронной системе связи, в которой работает N абонентов, отведена полоса частоты Δf.

Любой абонент посылает сигнал вызова шумопрдобным сигналом во всей выделенной для системы полосы.

После установления синхронизма любая пара абонентов, ведущих связь, автоматически переводится в режим работы шумоподобным сигналом, занимающим полосу

ΔF=Δf/N

с сохранением той же величины базы сигнала за счет снижения тактовой частоты в N раз и увеличения в N раз времени накопления, при этом дополнительное время на переход в режим работы узкополосным ШПС не требуется.

Пусть, например, одновременно на связь с абонентом А выходят два абонента Б и С, причем уровень сигнала абонента Б на 100 дБ выше уровня сигнала абонента С. В этом случае после сворачивания сигнала абонента Б в полосу ΔF, его мешающее влияние может быть значительно ослаблено за счет вырезания полосы ΔF в полосе частот приемного устройства абонента С. Таким образом, если для случая использования в асинхронной системе связи устройства прототипа, абонент С может войти в связь только после окончания сеанса между абонентами А и Б, то при использовании предлагаемой системы потеря во времени установления связи для абонента С равна времени вхождения в синхронизм в полосе Δf, после чего обеспечиваются условия для одновременного ведения связи с абонентом А абонентов Б и С.

После установления синхронизма каждый из абонентов занимает одну из N выделенных для него в системе связи полос, за счет чего обеспечивается частотное разделение абонентов. Использование широкой полосы Δf позволяет сократить потери во времени установления связи по сравнению со случаем вхождения в синхронизм каждым из абонентов в узкой полосе ΔF.

Покажем это на примере.

Время поиска определяется известным соотношением

Тп=Б·Тн

где Тн=1/F - время накопления в фильтре с полосой пропускания F.

База сигнала определяется

откуда Тн=Б/Δf и, следовательно, Тп=Б²/Δf

Из полученного выражения следует, что при уменьшении Δf в N раз, время поиска (Тп) увеличивается в N раз.

Обозначим время поиска для одного абонента во всей отведенной полосе частот Тпо. Тогда для предлагаемой системы можно записать

Тпо≤Тп<NTпо

Реально для предлагаемой системы время вхождения в связь будет близко к Тпо, т.к. система построена с учетом статистики времени выхода абонентов в связь и статистики перемещений (вероятность одновременного выхода в связь абонентов с уровнями, различающимися на величину большую мала, и фактически абоненты имеют возможность одновременного вхождения в синхронизм в полосе Δf).

Блок-схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2, где использованы следующие обозначения:

блоки 1÷18 и 1'÷18 полностью аналогичны блокам прототипа, при этом блоками 1'÷18 обозначены блоки обратного канала, аналогичного прямому каналу,

19, 19' - регуляторы тактовой частоты,

20, 20' - ключи прямого и обратного каналов,

21, 21' - управляемый передающий фильтр прямого и обратного каналов,

22, 22' - управляемое устройство разделения шумоподобных сигналов прямого и обратного каналов,

23, 23' - устройство синхронизации с низкой тактовой частотой прямого и обратного каналов,

24, 24' - решающее устройство прямого и обратного каналов.

Предлагаемая система имеет следующие функциональные связи.

Выходы ГНТЧ 1 соединены со входами ключа 20, выходы которого соединены со входами ФОПСП 2 ГПСП 3, ФВ90° 7 и ФМ 8, второй вход ФОПСП 2 соединен с выходом устройства фазирования 4, второй выход которого соединен со вторым входом ГПСП 3, выход которого соединен с первым входом умножителя 6, второй вход которого соединен с выходом ФМ 8, первый вход которого соединен с ФВ 90° 7, а второй вход информационный.

Выход ФОПСП 2 соединен со входом умножителя 5, второй вход которого соединен с выходом ФВ 90° 7, а выход - со входом схемы сложения 9, второй вход которой подключен к выходу умножителя 6, выход схемы 9 соединен со входом блока 21, выход которого является выходом передатчика прямого канала.

Вход ГНТЧ 1 соединен с выходом регулятора тактовой частоты 19.

Вход приемного устройства прямого канала является одним из входов блока 22, выходы которого соединены со входами умножителя 10, УС 15 умножителя 11 и блока 23, выход которого соединен со вторым входом УС 15, выходы которого подключены ко входам ФОПСП 12 и ГОПСП 13, выход которого соединен со вторым входом умножителя 11, второй вход ГОПСП 13 соединен с первым выходом УФ 14, второй выход которого соединен со вторым входом ФОПСП 12, выход которого соединен со вторым входом умножителя 10, выходы которого подключены ко входу ПФ 16, выход которого соединен со входом ФД 18, второй вход которого через ПФ 17 соединен с выходом умножителя 11. Выход ФД 18 является информационным выходом приемного устройства.

Предлагаемая система имеет обратный канал, состоящий из приемной и передающей части и имеющий функциональные связи аналогичные прямому каналу. Причем прямой и обратный каналы связаны следующим образом.

Выходы блоков 24' (24) соединены со входами блоков 19 (19') и 21 (21'). Первый вход блока 20 (20') соединен с первым входом блока 24' (24).

Выход блока 23' (23) соединен со входом 2 блока 22' (22), входом 2 блока 15' (15), со входом 2 блока 24' (24) и со входом 2 блока 20 (20').

Предлагаемая система работает следующим образом.

При выходе на связь корреспондента А подается команда на вход 1 блока 20. Блок 20 подключает выходы блока 1 ко входам блоков 2, 3 и 7, 8, при этом в передающем устройстве формируется шумоподобный сигнал синхронизации (сигнал вызова) так же, как в устройстве-прототипе. Сформированный сигнал с выхода блока 9 подается через блок 21 на выход системы и излучается в эфир.

В данном режиме работы обеспечивается прохождение ШПС в полосе Δf. Для упрощения описания работы системы обозначим сигнал, излучаемый полосе Δf ШПС 1.

В режиме ожидания вызова в приемном устройстве абонента Б обеспечивается возможность прохождения ШПС1 через блок 22 в полосе Δf.

Сигнал синхронизации ШПС1, переданный корреспондентом А через блок 22, подается на вход блока 23, в котором осуществляется поиск по задержке и синхронизация с временем накопления Тн1 и с точностью синхронизации Δτ1. Сигнал об окончании синхронизации с выхода блока 23 подается:

на управляющий вход блока 22,

на вход 2 блока 20',

на вход 2 блока 24,

на вход 2 блока 15,

при этом в аппаратуре абонента Б производятся следующие переключения:

1) в блоке 22 производится подключение одного из N каналов полосой ΔF=Δf/N, назначенных данному абоненту в системе связи, ко входу 1 блока 15 и входам блоков 10 и 11;

2) блоком 20' производится подключение выходов блока 1' ко входам блоков 2', 3' и 7', 8', при этом в передающем устройстве абонента Б формируется широкополосный сигнал (ШПС 1') с полосой Δf, который с выхода блока 9 через блок 21' поступает на выход системы и излучается в эфир. (В исходном состоянии все полосы блока 21' подсоединены к выходу системы, за счет чего обеспечивается прохождение ШПС', в полосе Δf). Сигнал ШПС1' является сигналом подтверждения приема вызова;

3) блок 24 с задержкой по времени τ3, равной времени излучения ШПС1', выдает команды на блоки 19' и 21', при этом блок 21' подключает к выходу устройства одну из N полос, назначенную для работы обратного канала абонента Б в данной системе связи, а блок 19' изменяет тактовую частоту блока 1' до величины где fтч1 и fтч2 - высокая тактовая частота, соответствующая полосе Δf, и низкая тактовая частота, соответствующая излучению широкополосного сигнала в полосе частот (ШПС2);

4) блок 15, в котором за счет сигналов, поступающих ко входу 3 с блока 23, обеспечивается синхронизация по времени с блоком 23, переходит в режим точной подстройки и удержания по задержке с точностью, определяемой его параметрами.

Параметры блоков 15 и 23 выбираются таким образом, что тактовая частота блока 23' (fтч1) в N раз выше тактовой частоты блока 15 (f тч2), а время накопления блока 23 (Тн1) в N раз меньше времени накопления блока 15 (Тн2), так что база сигнала, а, следовательно, и помехозащищенность поиска для обоих устройств синхронизации одинакова.

Дополнительное время на поиск ШПС при переходе на низкую тактовую частоту не требуется, т.к. в блоке 15 используется для отсчета начала времени синхросигнал, выделенный в блоке 23; при этом блок 15 должен осуществлять только точную подстройку и удержание сигнала по задержке.

Таким образом, после синхронизации по ШПС1 и посылки ответного сигнала ШПС1' аппаратура абонента Б переходит в режим ожидания приема сигнала ШПС2 (ШПС2'), который имеет ту же базу сигнала, но занимает полосу частот в N раз более узкую, чем сигнал ШПС1.

ШПС1' через блок 22' поступает в блок 23', где осуществляется выделение синхросигнала. Синхросигнал об окончании синхронизации с выхода блока 23' подается на вход 2 блока 24', на вход блока 22', на вход 2 блока 15' и на вход 2 блока 20.

При этом в аппаратуре абонента А производятся следующие переключения:

1. блоком 22' производится подключение одного из N каналов с полосой ΔF, назначенного данному абоненту, ко входам блоков 15', 10', 11';

2. блок 20 сохраняет прежнее состояние;

3. блок 24' выдает команды (без задержки во времени) на блоки 19 и 21, при этом блок 21 подключает к выходу устройства одну полосу ΔF, а блок 19 изменяет тактовую частоту блока 1 до величины

4. блок 15' переходит в режим точной подстройки и удержания по задержке.

Для облегчения понимания работы системы подробно рассмотрим алгоритм работы отдельных устройств, входящих в ее состав.

Блок 24 (24'), используемый в предлагаемой системе устройства, работает следующим образом: при поступлении команд на входы 1 и 2 команда с его выхода выдается без задержки. При наличии команды на входе 2 и отсутствии команды на входе 1 команда с выхода блока 24 (24') выдается с задержкой π3, определяемой временем излучения ШПС1.

Блок 22 (22') обеспечивает прохождение ШПС1 в полосе Δf на вход блока 23 в режиме приема сигнала вызова (при отсутствии команды на входе 2).

При наличии команды на входе 2 он обеспечивает прохождение сигнала ШПС2 ко входам блоков 5, 10, 11 в полосе частот ΔF, заранее назначенной данному абоненту, и возможность приема сигнала вызова в полосе Δf блоком 23 с вырезанием пораженных участков спектра.

Блок 20 (20') обеспечивает подключение выходов блока 1 ко входам блоков 2, 3 и 7, 8 при поступлении любой из команд (ко входу 1 или 2).

Таким образом, после принятия от абонента Б сигнала ШПС1' аппаратура корреспондента А переводится в режим работы с сигналом ШПС2, занимающим в N раз более узкую полосу частот. Работа передающих устройств в этом режиме полностью аналогична их работе в режиме передачи ШПС1. В приемных устройствах сигнал ШПС2 (ШПС2') через блок 22 (22') подается на вход блоков 10, 11 и 15.

Далее работа приемных устройств аналогична работе приемных устройств прототипа.

Итак, в предлагаемой системе за счет введения новых блоков и связей обеспечивается возможность вхождения в синхронизм каждым абонентом во всей отведенной для системы связи полосе частот, после чего каждая пара абонентов, ведущих связь переходит на более узкую полосу частот, облегчая условия вхождения в синхронизм другим абонентам.

Передача информации осуществляется шумоподобным сигналом, занимающим полосу в N раз более узкую, чем полоса сигнала синхронизации, при этом достигается частотное разделение сигналов всех абонентов с сохранением той же величины базы сигнала за счет снижения тактовой частоты в N раз и увеличения времени накопления в N раз.

Частотное разделение каналов обеспечивает повышение динамического диапазона системы связи с шумоподобными сигналами до уровня, характерного для узкополосных систем связи с частотным разделением каналов, и определяемого нелинейностью приемного тракта и уровнями внеполосных излучений передатчика.

Использование всей отведенной для системы связи полосы частот в режиме синхронизации значительно сокращает время поиска по сравнению с системой связи, в которой частотное разделение применяется как в режиме вхождения в синхронизм, так и в режиме приема информации.

Таким образом, в предлагаемой системе связи решается вопрос повышения динамического диапазона систем связи с шумоподобными сигналами без потери ее помехозащищенности.

Предлагаемая система связи может быть использована для передачи команд управления и позволяет увеличить число абонентов в системе связи без снижения динамического диапазона.

Формула изобретения

Адаптивная система связи с шумоподобными сигналами, содержащая в передатчике генератор несущей и тактовой частот, генератор псевдослучайной последовательности (ПСП), формирователь ортогональной ПСП, два умножителя, фазовый манипулятор, фазовращатель на 90°, причем выход генератора несущей и тактовой частот соединен через формирователь ортогональной ПСП и умножитель с одним входом сумматора, а через генератор ПСП и второй умножитель с другим входом, вторые входы формирователя ортогональной ПСП и генератора ПСП соединены через блок фазирования, а второй выход генератора несущей и тактовой частот соединен со вторым входом одного умножителя через фазовращатель на 90°, а со вторым входом второго умножителя - через фазовый манипулятор, а в приемнике содержащая два умножителя, два полосовых фильтра, фазовый детектор, формирователь ортогональной ПСП, генератор ПСП, блок фазирования и блок синхронизации, причем выход приемника через два коррелятора, состоящих из последовательно соединенных умножителя и полосового фильтра, соединен с двумя входами фазового детектора, а через блок синхронизации - со входами формирователя ортогональной ПСП и генератора ПСП, выходы которых соединены со вторыми входами умножителей, а вторые входы - с выходами блока фазирования, отличающаяся тем, что, с целью расширения допустимого динамического диапазона принимаемых сигналов, в передатчик введены регулятор тактовой частоты, ключ, управляемый передающий фильтр, в приемник введены блок разделения шумоподобных сигналов, блок синхронизации с низкой тактовой частотой и решающий блок, введен обратный канал, аналогичный прямому каналу, содержащий на выходе и на входе приемник и передатчик, причем выход решающего блока соединен со входами регулятора тактовой частоты и управляемого передающего фильтра, первый вход ключа соединен с первым входом решающего блока, выход блока синхронизации с низкой тактовой частотой соединен со вторым входом блока разделения шумоподобных сигналов, со вторым входом решающего блока и со вторым входом ключа, выходами соединенного со входами формирователя ортогональной ПСП, генератора ПСП и фазового детектора, вход управляемого передающего фильтра соединен со входом сумматора, выход регулятора тактовой частоты соединен со входом генератора несущей и тактовой частот, выходы блока разделения шумоподобных сигналов соединены со входами блока синхронизации, умножителей, блока синхронизации с низкой тактовой частотой.

РИСУНКИ