Устройство имитации канала спутниковой связи с выпускным буксируемым антенным устройством в дмв диапазоне
Владельцы патента RU 2767180:
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-морского Флота "Военно-морская академия имени адмирала флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" (RU)
Изобретение относится к радиотехнике, а именно к устройствам, имитирующим реальные параметры канала спутниковой связи с выпускным буксируемым антенным устройством (ВБАУ) в ДМВ диапазоне. Технический результат состоит в повышении помехоустойчивости устройства за счет обеспечения корректных оценок сигнально-кодовых конструкций при тестировании модемов спутниковой связи. Для этого устройство содержит ПЛИС, которая точно воспроизводит нестационарные особенности канала спутниковой связи с ВБАУ на основе математической модели реального канала связи и благодаря формированию отклика спутникового канала связи на входное воздействие. 1 ил.
Настоящее изобретение относится к радиотехнике, а именно к устройствам, имитирующим реальные параметры канала спутниковой связи с выпускным буксируемым антенным устройством (ВБАУ) в ДМВ диапазоне согласно классификации Международного союза электросвязи и может быть использовано для тестирования помехоустойчивости модемов спутниковой связи ДМВ диапазона при их изготовлении.
Известны имитаторы радиоканала, например, патент РФ №175192 от 02.05.2017, который содержит последовательно соединенные входной управляемый аттенюатор 1.1, ключ 10, АЦП 2, ИКМ 4, ЦАП 6.1, второй сумматор 7 и разветвитель 8, к выходов которого соединены с входами соответствующих выходных аттенюаторов 9.1…9.k, выходы которых являются к выходами устройства. Выходы входных управляемых аттенюаторов 1.2…1.N соединены с соответствующими входами первого сумматора 3, выход которого подключен к соответствующему входу второго сумматора 7. Кроме того, выход каждого ЦГШ с 5.1.1 по 5.m.i подключен к входу каждого с 6.2 по 6.S ЦАП соответственно, выходы которых соединены с соответствующими входами второго сумматора 7. Вторые входы АЦП 2, ИКМ 4 и ЦАП 6.1…6.s и входы ЦГШ 5.1.1…5.m.i являются входами для тактовых импульсов f0. При этом второй выход ключа 10 подсоединен к соответствующему входу первого сумматора 3. Входы входных управляемых аттенюаторов 1.1…1.N являются N входами устройства. Недостатками устройства является то, что помехи на всех выходах устройства имеют одинаковые характеристики, что приводит к ограничению применения такого имитатора.
Также существует «имитатор радиоканала», патент РФ №2683023 от 26.03.2019, являющийся наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству. Его патентообладатель - предприятие АО «Концерн «Созвездие».
Данный «Имитатор радиоканала» позволяет формировать на выходах устройства помехи с различными параметрами. Имитатор содержит N входных управляемых аттенюаторов, выход первого из которых через первый ключ соединен с входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП); выходы со второго по N входных управляемых аттенюаторов соединены с соответствующими входами первого сумматора, выход которого соединен с соответствующим входом второго сумматора, выход которого подсоединен к входу первого разветвителя, а также т цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) и k выходных управляемых аттенюаторов, выходы которых являются соответствующими выходами устройства, кроме того, вторые входы АЦП и ЦАП являются входами для тактовых импульсов f0. Формирователь шумоподобных сигналов (ФШС) подключен к выходу АЦП, другой вход является входом для тактовых импульсов f0, выходы ФШС соединены с входами ЦАП соответственно, а также р фиксированных аттенюаторов, выходы которых соединены с соответствующими входами второго сумматора, при этом вход каждого из р фиксированного аттенюатора подключен к выходу соответствующего ЦАП с первого по р; t вторых ключей, первые выходы которых соединены с соответствующими входами второго сумматора, вход каждого из вторых ключей подсоединен к входу ЦАП с (р+1) по m соответственно, кроме того, t третьих сумматоров, выходы которых соединены с входами t вторых разветвителей соответственно, причем первые входы третьих сумматоров подключены к соответствующим выходам первого разветвителя, а вторые - ко вторым выходам вторых ключей соответственно; выходы t вторых разветвителей соединены с входами к выходных управляемых аттенюаторов соответственно; шина управления подключена к управляющим входам N входных управляемых аттенюаторов, первого и вторых ключей, к выходных управляемых аттенюаторов и формирователя шумоподобных сигналов.
Недостатком устройства-прототипа является то, что в нем отсутствует возможность изменения фазы и доплеровского смещения частоты сигнала, характерных для имитатора спутникового канала с ВБАУ.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют в известных источниках информации, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Целью заявляемого изобретения является улучшение характеристик коэффициента передачи сигнала за счет применения цифровой обработки основных параметров сигнала (амплитуды, частоты и фазы).
Поставленная цель достигается тем, что в устройство имитации канала связи, содержащее согласующие усилители, трансивер, ПЛИС и внешнюю оперативную память, отличающееся тем, что обработка производится в цифровой форме, а весовые коэффициенты, определяющие значения амплитуды, частоты и фазы тестируемого сигнала, формируемые на основе математической модели спутникового канала связи, поступают на вход блока изменения параметров сигнала, источником входных данных для которого является массив отсчетов поступивших через согласующий усилитель и трансивер на вход блока формирования аналитической формы сигнала, с выхода которого массив поступает в блок оценки параметров сигнала, соединенного с буферной памятью и блоком формирования выходного сигнала, который соединен с формирователем АБГШ и трансивером, формирующим выходной аналоговый сигнал, выход которого подключен на вход согласующего усилителя.
В имитаторе реализовано цифровое управление параметрами тестируемого несущего сигнала, благодаря его представлению в аналитическом виде 
. Такое представление позволяет изменять основные параметры несущего сигнала (амплитуду, частоту и фазу) в соответствии с заданными функциями распределения этих параметров w(A), w(f), w(ϕ) в реальном масштабе времени. Это достигается благодаря использованию высокоскоростной программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) семейства Virtex UltraScale+ и широкополосного трансивера AD9361, содержащего высокоскоростные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП).
Блок-схема устройства представлена на фиг. 1.
Обозначения, принятые на фиг. 1:
1-3 - согласующие усилители;
4 - трансивер;
5 - ПЛИС;
6 - блок формирования аналитической формы сигнала на основе
7 - блок оценки параметров сигнала;
5 - буферная память;
9 - блок сопряжения с внешней ПЭВМ;
10 - блок изменения параметров сигнала;
11 - блок формирования выходного сигнала;
12 - генератор аддитивного белого гауссова шума (АБГШ);
13 - внешняя память.
Сущность заявляемого решения заключается в использовании, при формировании отклика канала связи на входной тестируемый сигнал, детальной математической модели спутникового канала связи с ВБАУ, полученной на основе экспериментальных данных. Математическая модель позволяет имитировать различные статистические аспекты флуктуаций амплитуды, частоты (в том числе и эффект Доплера) и фазы сигналов и добавлять к ним аддитивный белый гауссов шум. Полученные на основе работы модели параметры канала в виде весовых коэффициентов передаются в ПЛИС для изменения параметров тестируемого сигнала, а также изменения соотношения сигнал/шум. Помимо этого модель позволяет настраивать и изменять параметры функций распределения в среде Matlab на внешней ПЭВМ.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Входной высокочастотный сигнал поступает на вход согласующего усилителя 1, обеспечивающего сопряжение выхода высокой частоты тестируемого модема с входом трансивера 4, в котором происходит его оцифровка, фильтрация и формирование цифрового массива выходных данных. Далее массив данных по высокоскоростному последовательному интерфейсу LVDS поступает в ПЛИС 5. В ПЛИС 5 в блоке формирования аналитической формы сигнала 6, на основе преобразования Гильберта, происходит формирование аналитического сигнала 
. После чего сигнал в аналитическом виде поступает в блок оценки параметров сигнала 7, где происходит вычисление основных параметров сигнала (амплитуды, частоты и фазы). Далее сигнал попадает в каскад буферной памяти 8 для распараллеливания процессов изменения параметров тестируемого сигнала и отображения информации о структуре исходного и измененного сигнальных созвездий на внешней ПЭВМ. Далее сигнал поступает в блок сопряжения с внешней ПЭВМ 9, обеспечивающий сопряжение с ПЭВМ на основе интерфейса Ethernet средствами аппаратно-программных драйверов, входящих в состав ПЛИС. Затем сигнал поступает в блок изменения параметров сигнала 10, где на основе весовых коэффициентов, вычисленных в математической модели канала связи, происходит изменение амплитуды, частоты и фазы тестируемого сигнала. Далее сигнал поступает в блок формирования выходного сигнала 11, где происходит формирование двух сигналов: исходного с неизмененными параметрами, и измененного после прохождения имитатора. Исходный сигнал необходим в качестве эталонного для дополнительного контроля помехоустойчивости стандартными средствами метрологического обеспечения (например, анализатором спектра). В генераторе аддитивного белого гауссова шума 12 формируется требуемая величина спектральной плотности мощности шума, которая далее поступает в блок формирования выходного сигнала 11 для установки требуемого соотношения сигнал/шум на выходе устройства имитации, и которое соответствует реальному значению сигнал/шум в канале. Из блока формирования сигнала 11, сформированный сигнал по интерфейсу LVDS поступает на вход трансивера 4, где с помощью двух интегрированных ЦАП преобразуется в аналоговый высокочастотный сигнал. На одном из выходов ЦАП сигнал полностью соответствует входному, а на втором выходе ЦАП сигнал является измененным в соответствии с выбранной моделью канала. Далее сигналы поступают на входы согласующих усилителей 2 и 3, предназначенных для согласования уровней выходных высокочастотных сигналов устройства имитации с высокочастотным входом модема либо входом стандартного метрологического оборудования. Внешняя память, 12 в качестве которой, используется микросхема оперативной памяти DDR4 типа H5ANAG6NCMR, необходима для обеспечения обработки широкополосных сигналов, требующих хранение больших объемов выборок высокочастотного сигнала.
Используемый в заявляемом устройстве метод имитации канала спутниковой связи, позволяет воспроизводить реальные особенности канала спутниковой связи с ВБАУ, производить настройку и изменение параметров функций распределения, описывающих флуктуации амплитуды, частоты и фазы сигнала, изменять соотношение сигнал/шум на выходе устройства имитации, а также контролировать параметры сигнальных созвездий входного и выходного сигнала. Все операции по контролю и управлению параметрами устройства имитации, осуществляются в среде Matlab на ПЭВМ. Это позволяет проводить корректную проверку помехоустойчивости сигнально-кодовых конструкций модемов спутниковой связи ДМВ диапазона, с учетом реальной специфики канала спутниковой связи с ВБАУ.
Таким образом, достигается улучшение характеристик коэффициента передачи сигнала (расширение диапазона изменения амплитуды на 80 дБ, фазы на 360°, доплеровского смещения частоты на 30 кГц) имитируемого канала спутниковой связи с ВБАУ ДМВ диапазона.
Устройство имитации канала спутниковой связи с выпускным буксируемым устройством (ВБАУ), содержащее блок согласующих усилителей, трансивер, программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) и внешнюю оперативную память, отличающееся тем, что схема ПЛИС выполнена в виде последовательно соединенных блока формирования аналитической формы входного сигнала, блока оценки параметров сигнала, буферной памяти, блока сопряжения с внешней ПЭВМ, блока изменения параметров сигнала и блока формирования выходного сигнала с двумя выходами, один из которых является выходом сигнала, соответствующего входному сигналу, а второй выход является выходом измененного сигнала, соответствующего выбранной модели канала, другие входы блока формирования выходного сигнала соединены соответственно с дополнительным выходом блока оценки параметров сигнала и выходом генератора аддитивного белого гауссова шума, при этом вход блока формирования аналитической формы входного сигнала и выход блока формирования выходного сигнала через высокоскоростной последовательный интерфейс LVDS соединен с трансивером, связанным с блоком согласующих усилителей, при этом блок буферной памяти выполнен с возможностью отображения информации о структуре входного и измененного сигнала на внешней ПЭВМ.
