RU157935U1 - TRANSMISSION MODULE FOR EXCHANGE OF DATA USING SUPERWIDE BAND SIGNALS - Google Patents

Abstract

Приемопередающий модуль для обмена данными с помощью сверхширокополосных сигналов, содержащий сверхширокополосный усилитель мощности, антенну, а также последовательно соединенные фильтр и широкополосный усилитель, отличающийся тем, что в его состав дополнительно введены устройство ввода и вывода информации, блок кодирования и декодирования информации, блок формирования сверхширокополосных видеоимпульсов, генератор сверхширокополосных радиоимпульсов, заполняющий видеоимпульсы колебаниями высокой частоты, антенный переключатель, амплитудный детектор, блок фильтрации и усиления, компаратор, RS-триггер, а в состав блока кодирования и декодирования информации введены последовательно соединенные синхронизатор, кольцевой буфер с параллельной выгрузкой, блок критериальной обработки, блок временной селекции, последовательно подключенные интерфейс, буфер данных и кодер, при этом выход устройства ввода и вывода информации соединен с первым входом интерфейса, первый выход кодера подключен ко входу блока формирования сверхширокополосных видеоимпульсов, а второй выход - к первому входу антенного переключателя, выход блока формирования сверхширокополосных видеоимпульсов связан со входом генератора сверхширокополосных радиоимпульсов, выход которого подключен ко входу сверхширокополосного усилителя мощности, выход которого подключен ко второму входу антенного переключателя, вход-выход которого подключен к вход-выходу антенны, а выход - ко входу фильтра, выход широкополосного усилителя подключен ко входу амплитудного детектора, выход которого связан со входом блока фильтрации и усиления, выход которо�A transceiver module for exchanging data using ultra-wideband signals, comprising an ultra-wideband power amplifier, an antenna, as well as a series-connected filter and a wideband amplifier, characterized in that it also includes an input and output device, an information encoding and decoding unit, an ultra-wideband generating unit video pulses, an ultra-wideband radio pulse generator, filling video pulses with high-frequency oscillations, an antenna switch, an amplitude detector, a filtering and amplification unit, a comparator, an RS flip-flop, and a sequentially connected synchronizer, a ring buffer with parallel unloading, a criterion processing unit, a temporal selection unit, a serial connected interface, a data buffer and an encoder are included in the information coding and decoding unit the output of the input and output information device is connected to the first input of the interface, the first output of the encoder is connected to the input of the ultra-wideband video pulse generation unit, and the second output is to the first input of the antenna switch, the output of the ultra-wideband video pulse generating unit is connected to the input of the ultra-wideband radio pulse generator, the output of which is connected to the input of the ultra-wideband power amplifier, the output of which is connected to the second input of the antenna switch, the input-output of which is connected to the input-output of the antenna, and the output is to the filter input, the output of the broadband amplifier is connected to the input of the amplitude detector, the output of which is connected to the input of the filtering and amplification unit, the output of which

Description

Полезная модель относится к устройствам радиопередачи и радиоприема закодированных визуальных, звуковых и других сообщений, т.е. к радиолиниям передачи данных.The invention relates to radio transmission and reception devices of encoded visual, sound and other messages, i.e. to data links.

Известно устройство приема и передачи данных со сверхширокополосными сигналами [1], содержащее блок ввода информации (БВИ), названный в функциональной схеме источником информации, выход которого связан со входом устройства кодирования информации (кодера источника), выход которого соединен со входом кодера канала, выход которого подключен к первому входу модулятора, второй вход которого соединен с выходом автогенератора коротких радиоимпульсов, а выход - со входом сверхширокополосного усилителя мощности (СШУМ), выход которого соединен со входом первой антенны, а также содержащая вторую (приемную) антенну, выход которой соединен со входом фильтра, выход которого связан со входом широкополосного усилителя (ШПУ), выход которого подключен ко входу демодулятора, выход которого связан со входом приемника информации.A device for receiving and transmitting data with ultra-wideband signals [1], containing an information input unit (BVI), called in the functional diagram information source, the output of which is connected to the input of the information encoding device (source encoder), the output of which is connected to the input of the channel encoder, output which is connected to the first input of the modulator, the second input of which is connected to the output of the oscillator of short radio pulses, and the output to the input of an ultra-wideband power amplifier (SSHM), the output of which is connected to the input of the first antenna, as well as containing the second (receiving) antenna, the output of which is connected to the input of the filter, the output of which is connected to the input of a broadband amplifier (silos), the output of which is connected to the input of the demodulator, the output of which is connected to the input of the information receiver.

Данное устройство не обеспечивает высокую эффективность передачи и приема закодированной информации, так как использует типовой способ кодирования передаваемой информации с помощью временных расстановок излучаемых сверхширокополосных радиосигналов. Кроме того, эффективность работы устройства [1] может снижаться за счет наложения на последовательность шумоподобных сигналов (ШПС) помеховых сигналов, искажающих передаваемую информацию.This device does not provide high efficiency of transmission and reception of encoded information, as it uses a standard method of encoding the transmitted information using temporary arrangements of emitted ultra-wideband radio signals. In addition, the efficiency of the device [1] may be reduced due to the imposition on the sequence of noise-like signals (SHPS) interference signals that distort the transmitted information.

Задачей полезной модели является разработка приемопередающего модуля для обмена данными с помощью сверхширокополосных сигналов, обеспечивающего передачу, прием и более надежную защиту от помех передаваемой полезной информации.The objective of the utility model is to develop a transceiver module for data exchange using ultra-wideband signals, which provides transmission, reception and more reliable protection against interference of the transmitted useful information.

Для решения указанной задачи в состав известного устройства [1] приема и передачи данных со сверхширокополосными сигналами, содержащего СШУМ, антенну, последовательно соединенные фильтр и широкополосный усилитель, предлагается дополнительно ввести устройство ввода и вывода информации (УВВИ), блок кодирования и декодирования информации (БКДИ), блок формирования сверхширокополосных видеоимпульсов (БФСШВИ), генератор сверхширокополосных радиоимпульсов (ГСШРИ), антенный переключатель (АП), амплитудный детектор (АД), блок фильтрации и усиления (БФУ), компаратор, RS-триггер. В состав БКДИ предлагается ввести блок временной селекции (БВС), блок критериальной обработки (БКО), кольцевой буфер с параллельной выгрузкой (КБПВ), синхронизатор, интерфейс, буфер данных и кодер. При этом предлагается выход УВВИ соединить с первым входом интерфейса (входящего в состав БКДИ), первый выход которого предлагается связать со входом буфера данных (также входящего в состав БКДИ), выход которого соединить со входом кодера (также входящего в состав БКДИ), первый выход которого подключить ко входу БФСШВИ, а второй выход - к первому входу антенного переключателя, выход БФСШВИ предлагается связать со входом ГСШРИ, выход которого подключить ко входу СШУМ, выход которого следует подключить ко второму входу антенного переключателя, вход-выход которого подключить к вход-выходу антенны, а выход - ко входу фильтра. Также предлагается выход ШПУ подключить ко входу АД, выход которого связать со входом БФУ, выход которого подключить ко входу компаратора, выход которого соединить с первым входом RS-триггера, второй вход которого подключить к второму выходу синхронизатора, а выход - ко входу синхронизатора, первый выход которого подключить к КБПВ, выход которого с помощью s-канальной шины подключить ко входу БКО, выход которого соединить со входом БВС, выход которого связать со вторым входом интерфейса, второй выход которого соединить с входом УВВИ.To solve this problem, the composition of the known device [1] for receiving and transmitting data with ultra-wideband signals, containing an SCHM, an antenna, a series-connected filter and a broadband amplifier, it is proposed to additionally introduce an information input and output device (UVVI), an information encoding and decoding unit (BCDI) ), a block for the formation of ultra-wideband video pulses (BFSHSWI), a generator for ultra-wideband radio pulses (SSSRI), an antenna switch (AP), an amplitude detector (HELL), a filtering and amplification unit Oia (BFU), a comparator, RS-flip-flop. It is proposed to introduce a temporary selection block (BBC), a criterion processing block (BCO), a ring buffer with parallel unloading (KBPV), a synchronizer, an interface, a data buffer, and an encoder into the composition of the BKDI. At the same time, it is proposed that the UVVI output be connected to the first input of the interface (included in the BKDI), the first output of which is proposed to be connected to the input of the data buffer (also included in the BKDI), the output of which is connected to the input of the encoder (also included in the BKDI), the first output which should be connected to the BFSHSWI input, and the second output to the first input of the antenna switch, it is proposed to connect the BFSHSWI output to the HSSRI input, the output of which should be connected to the SSHUM input, the output of which should be connected to the second input of the antenna switch I, the input-output of which is connected to the input-output of the antenna, and the output to the input of the filter. It is also proposed to connect the control panel output to the AD input, the output of which is connected to the input of the BFU, the output of which is connected to the comparator input, the output of which is connected to the first input of the RS flip-flop, the second input of which is connected to the second output of the synchronizer, and the output is connected to the input of the synchronizer, the first the output of which is connected to the KBPV, the output of which is connected via the s-channel bus to the BKO input, the output of which is connected to the BVS input, the output of which is connected to the second input of the interface, the second output of which is connected to the UVVI input.

За счет этого дополнения и изменения схемы организуются и реализуются новые процедуры обработки принятых сигналов в БКДИ, которые позволяют повысить помехоустойчивость радиолинии связи.Due to this addition and change of the circuit, new procedures for processing received signals in BKDI are organized and implemented, which allow to increase the noise immunity of the radio link.

Функциональная схема предлагаемого приемопередающего модуля для обмена данными с помощью сверхширокополосных сигналов показана на фиг. 1. Предлагаемый модуль для обмена данными с помощью сверхширокополосных сигналов (элемент радиолинии передачи данных с помощью СШП) включает последовательно соединенные УВВИ 1, интерфейс 3, буфер данных 4, кодер 5, БФСШВИ 6, ГСШРИ 7, СШУМ 8, а также содержит антенный переключатель 9, антенну 10, последовательно соединенные фильтр 11, ШПУ 12, АД 13, БФУ 14, компаратор 15, RS-триггер 16, синхронизатор 17, КБПВ 18, БКО 19, БВС 20. При этом выход СШУМ 8 связан с вторым входом АП 9, первый вход которого связан с вторым выходом кодера 5, вход-выход - с вход-выходом антенны 10, а выход - со входом фильтра 11. Второй выход синхронизатора 17 соединен со вторым входом RS-триггера 16, выход БВС 20 подключен к второму входу интерфейса 3, второй выход которого соединен со входом УВВИ 1. Блоки 3, 4, 5, 20, 19, 18 и 17 структурно входят в состав БКДИ 2. Выход КБПВ 18 подключен ко входу БКО 10 с помощью s-канальной шины, число каналов s в которой определяется числом используемых для передачи информации кодовых символов.A functional diagram of the proposed transceiver module for data exchange using ultra-wideband signals is shown in FIG. 1. The proposed module for data exchange using ultra-wideband signals (an element of a radio data line using UWB) includes series-connected UVVI 1, interface 3, data buffer 4, encoder 5, BFSHSWI 6, GSHSRI 7, SSHUM 8, and also contains an antenna switch 9, antenna 10, serially connected filter 11, silos 12, BP 13, BFU 14, comparator 15, RS-trigger 16, synchronizer 17, KBPV 18, BKO 19, BVS 20. At the same time, the SSHUM 8 output is connected to the second input of the AP 9 the first input of which is connected with the second output of the encoder 5, the input-output - with the input-output of the antenna 10, and the output is with the input of the filter 11. The second output of the synchronizer 17 is connected to the second input of the RS-trigger 16, the output of the BVS 20 is connected to the second input of the interface 3, the second output of which is connected to the input of UVVI 1. Blocks 3, 4, 5, 20, 19, 18 and 17 are structurally included in the BKDI 2. The output of the KBPV 18 is connected to the input of the BKO 10 using an s-channel bus, the number of channels s in which is determined by the number of code symbols used to transmit information.

Приемопередающий модуль для обмена данными с помощью сверхширокополосных сигналов работает следующим образом. Устройство ввода и вывода информации 1 воспринимает с помощью WEB-камеры или микрофона необходимую информацию (сообщение) и далее с помощью электронно-вычислительной машины (ЭВМ) преобразует воспринятую информацию известными методами [2, 3] в пакеты цифровых данных. Пакеты цифровых данных представляют собой последовательности логических сигналов (нулей и единиц), в расстановке которых содержится информация о передаваемом сообщении. В виде таких пакетов данных цифровая информация, содержащая существо передаваемого сообщения, с выхода УВВИ 1 поступает на вход БКДИ 2, а именно - на первый вход интерфейса 3. При передаче информации интерфейс 3 выделяет из всего объема подготовленной к передаче информации только ту ее часть, которая содержит ее содержание и сущность, исключая так называемую служебную информацию. С выхода интерфейса 3 цифровая информация поступает на вход буфера данных 4. Буфер данных 4 предназначен для временного хранения поступающих со скоростью порядка 100 Мбайт/с данных, которые воспринимаются затем кодером 5 с меньшей скоростью обработки и передачи (порядка 1,5 Мбайт/с). Буфер данных 4 сохраняет в запоминающем устройстве пакеты данных и последовательно передает их на вход кодера 5. Кодер 5 предназначен для преобразования поступающих пакетов данных в последовательность логических уровней иного вида. Передаваемая информация разбивается на блоки по k символов, образующих кодовые слова. Каждое кодовое слово преобразуется в соответствии с кодовым алфавитом в последовательность логических сигналов (нулей и единиц) из 2 m бит.В первых m бит содержится n логических единиц. Биты с (m+1)-го по 2 m-й содержат только логические нули. Кодовые последовательности различных кодируемых символов должны обладать минимально возможным значением взаимокорреляционной функции [4]. Так, при использовании кодового алфавита из двух символов (логического нуля и логической единицы), создаются и используются кодовые последовательности одинаковой длины, содержащие по десять логических единиц, отстоящих друг от друга на разное число отсчетов (например, на два и на десять положений, как будет в качестве примера продемонстрировано ниже). Пример одной из кодовых последовательностей, сформированной при использовании кодового алфавита, состоящего из двух символов, приведен на фиг. 2. Пример другой кодовой последовательности, полученной при использовании кодового алфавита, состоящего из двух символов, изображен на фиг. 3. Кодовые последовательности одинаковые по содержанию отличаются периодом расстановки логических единиц.The transceiver module for exchanging data using ultra-wideband signals operates as follows. The information input and output device 1 receives the necessary information (message) using a WEB camera or microphone, and then, using an electronic computer (PC), converts the received information by known methods [2, 3] into digital data packets. Digital data packets are sequences of logical signals (zeros and ones), the arrangement of which contains information about the transmitted message. In the form of such data packets, digital information containing the essence of the transmitted message from the UVVI output 1 goes to the input of the BKDI 2, namely, to the first input of the interface 3. When transmitting information, the interface 3 selects only that part of the total amount of information prepared for transmission, which contains its content and essence, excluding the so-called service information. From the output of interface 3, digital information is fed to the input of the data buffer 4. The data buffer 4 is intended for temporary storage of data arriving at a speed of about 100 MB / s, which are then received by encoder 5 with a lower processing and transmission speed (about 1.5 MB / s) . The data buffer 4 stores data packets in the storage device and subsequently transmits them to the input of the encoder 5. The encoder 5 is designed to convert incoming data packets into a sequence of logical levels of a different kind. The transmitted information is divided into blocks of k characters forming code words. Each codeword is converted in accordance with the code alphabet into a sequence of logical signals (zeros and ones) of 2 m bits. The first m bits contain n logical units. Bits from the (m + 1) th through the 2 th th contain only logical zeros. Code sequences of various encoded characters must have the lowest possible value of the inter-correlation function [4]. So, when using a code alphabet of two characters (logical zero and logical unit), code sequences of the same length are created and used, containing ten logical units spaced from each other by a different number of samples (for example, by two and ten positions, like will be shown as an example below). An example of one of the code sequences generated using the two-character code alphabet is shown in FIG. 2. An example of another code sequence obtained using a two-character code alphabet is shown in FIG. 3. Code sequences identical in content differ in the period of arrangement of logical units.

С первого выхода кодера 5 закодированная цифровая информация в виде последовательности логических уровней поступает на вход БФСШВИ 6. На первом выходе кодера 5 (являющегося первым выходом БКДИ 2) сигналы логической единицы имеют длительность 10 нс (фиг. 4 эпюра 1). При формировании на первом выходе кодера 5 последовательности, содержащей логические единицы, на втором выходе кодера 5, являющимся вторым выходом БКДИ 2, формируется сигнал логической единицы. Длительность сигнала логической единицы на втором выходе кодера 5 определяется продолжительностью (интервалом) передачи всех логических единиц, кодирующих передаваемый символ кодового алфавита на первом выходе кодера 5. Блок 6 синхронно с передними фронтами поступающих на его вход цифровых видеоимпульсов формирует сверхширокополосные видеоимпульсы длительностью 1 нс (фиг. 4 эпюра 2), которые имеют ширину спектра 1 ГГц. Эти видеоимпульсы с выхода БФСШВИ 6 поступают на вход ГСШРИ 7, где заполняются колебаниями высокой частоты величиной в несколько гигагерц (фиг. 4 эпюра 3). Конкретное значение частоты заполнения зависит от предъявляемых к системе требований и не имеет принципиального значения. С выхода ГСШРИ 7 радиоимпульсы длительностью 1 нс поступают на вход СШУМ 8, в котором усиливаются по мощности до величины, достаточной для передачи сообщений на радиочастоте на заданное расстояние (фиг. 4 эпюра 4). Усиленные сверхширокополосные радиоимпульсы (СШПРИ), во временной расстановке которых содержится закодированное сообщение, поступают из СШУМ 8 на второй вход антенного переключателя 9. Антенный переключатель 9 при получении на первый вход логической единицы соединяет свой второй вход со своим вход-выходом, т.е. с антенным двунаправленным выводом. Если же на первом входе логическая единица отсутствует, то антенный переключатель 9 соединяет свой вход-выход со своим выходом, связанным с входом фильтра 11.From the first output of the encoder 5, the encoded digital information in the form of a sequence of logical levels is fed to the input of the BSSWI 6. At the first output of the encoder 5 (which is the first output of the BCDI 2), the signals of the logical unit have a duration of 10 ns (Fig. 4 of diagram 1). When forming at the first output of the encoder 5 a sequence containing logical units, at the second output of the encoder 5, which is the second output of the BKDI 2, a signal of a logical unit is generated. The duration of the signal of the logical unit at the second output of the encoder 5 is determined by the duration (interval) of transmission of all logical units encoding the transmitted symbol of the code alphabet at the first output of the encoder 5. Block 6 synchronously with the leading edges of the digital video pulses arriving at its input generates ultra-wideband video pulses of 1 ns duration (Fig. 4 plot 2), which have a spectrum width of 1 GHz. These video pulses from the output of the BFSHSWI 6 are fed to the input of the HSSRI 7, where they are filled with high-frequency oscillations of a few gigahertz (Fig. 4 plot 3). The specific value of the filling frequency depends on the requirements for the system and is not of fundamental importance. From the output of the GSHRI 7, radio pulses of 1 ns duration are fed to the input of the SSHUM 8, in which they are amplified by power to a value sufficient to transmit messages on the radio frequency at a given distance (Fig. 4, diagram 4). Amplified ultra-wideband radio pulses (UHPRI), in the temporal arrangement of which an encoded message is contained, come from SSUM 8 to the second input of the antenna switch 9. The antenna switch 9, upon receiving a logical unit at the first input, connects its second input with its input-output, i.e. with antenna bi-directional output. If there is no logical unit at the first input, then the antenna switch 9 connects its input-output with its output connected to the input of the filter 11.

Сформированные СШПРИ через антенный переключатель 9 в режиме передачи поступают в антенну 10 и излучаются ею в направлении известного места расположения другого аналогичного приемопередающего модуля для обмена данными с помощью сверхширокополосных сигналов.Formed UWID through the antenna switch 9 in the transmission mode enter the antenna 10 and emitted by it in the direction of a known location of another similar transceiver module for data exchange using ultra-wideband signals.

В режиме приема информации антенна 10 принимает излученные другим аналогичным приемопередающим модулем СШПРИ (фиг. 5 эпюра 1) и направляет их в антенный переключатель 9. Антенный переключатель 9 в режиме приема информации коммутирует свой вход-выход (антенный двунаправленный вывод антенны 10) со своим выходом, с которого принятые СШПРИ поступают на вход фильтра 11, предназначенного для селекции полезных СШПРИ на фоне иных излучений, отражений радиоволн родственного смежного диапазона.In the mode of receiving information, the antenna 10 receives radiated by another similar transceiver module SSPRI (Fig. 5, diagram 1) and sends them to the antenna switch 9. The antenna switch 9 in the mode of receiving information switches its input-output (antenna bi-directional output of the antenna 10) with its output , from which the received UWID arrive at the input of the filter 11, intended for selection of useful UWBR against the background of other emissions, reflections of radio waves of a related adjacent range.

С выхода фильтра 11 СШПРИ, несущие в своей расстановке закодированное сообщение, поступают на малошумящий ШПУ 12, где усиливаются по мощности на величину, обеспечивающую нормальную работу последующих каскадов. Коэффициент усиления малошумящего ШПУ 12 должен быть не менее 20 дБ. Далее усиленные по мощности СШПРИ (фиг. 5 эпюра 2) поступают на вход АД 13, который ограничивает принятые сигналы снизу по уровню нуля (фиг. 5 эпюра 3). Далее ограниченные амплитудным детектором 13 сигналы с закодированным сообщением поступают на вход блока фильтрации и усиления 14, состоящего из низкочастотного Т-фильтра и видеоусилителя. Низкочастотный Т-фильтр выделяет огибающую поступающих сверхширокополосных (в соответствии со своей длительностью) ограниченных радиоимпульсов (фиг. 5 эпюра 4). А видеоусилитель увеличивает амплитуду видеоимпульсов до величины, обеспечивающей превышение сигналами заранее установленного порогового уровня (фиг. 5 эпюра 5). С выхода БФУ 14 видеосигналы поступают на вход компаратора 15. Компаратор 15 предназначен для формирования прямоугольных видеоимпульсов, длительность которых определяется длительностью превышения входными видеоимпульсами порога срабатывания П компаратора. Передний фронт вырабатываемого компаратором импульса соответствует моменту превышения передним фронтом сверхширокополосного входного видеоимпульса порога срабатывания П (фиг. 5 эпюра 6). Задний фронт вырабатываемого меандра соответствует моменту, когда задний фронт усиленного сверхширокополосного видеоимпульса становится меньше порога П.From the output of the filter 11 SSPRI, carrying encoded message in their arrangement, are fed to low-noise silos 12, where they are amplified by power by an amount that ensures the normal operation of subsequent cascades. The gain of low-noise silos 12 should be at least 20 dB. Further, the power-amplified SSRDs (Fig. 5 of diagram 2) are fed to the input of HELL 13, which limits the received signals from below to zero (Fig. 5 of diagram 3). Further limited by the amplitude detector 13, the signals with the encoded message are fed to the input of the filtering and amplification unit 14, consisting of a low-frequency T-filter and a video amplifier. The low-frequency T-filter selects the envelope of the incoming ultra-wideband (in accordance with its duration) limited radio pulses (Fig. 5 plot 4). And the video amplifier increases the amplitude of the video pulses to a value that ensures that the signals exceed a predetermined threshold level (Fig. 5 plot 5). From the output of the BFU 14, the video signals are fed to the input of the comparator 15. The comparator 15 is designed to generate rectangular video pulses, the duration of which is determined by the duration of the input video pulses exceeding the threshold of operation of the comparator P. The leading edge of the pulse generated by the comparator corresponds to the moment when the leading edge exceeds the ultra-wideband video input pulse of the operating threshold P (Fig. 5 plot 6). The trailing edge of the generated meander corresponds to the moment when the trailing edge of the amplified ultra-wideband video pulse becomes less than the threshold P.

С выхода компаратора 15 прямоугольные сверхширокополосные видеоимпульсы поступают на первый вход RS-триггера 16, назначением которого является формирование прямоугольных импульсов нужной длительности и амплитуды (фиг. 5 эпюра 7), необходимых для обеспечения работы программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) [5], на которых построен БКДИ 2. С выхода RS-триггера видеоимпульсы нужной длительности поступают на второй вход БКДИ 2, а конкретнее - на первый вход синхронизатора 17. Синхронизатор 17 предназначен для передачи в каждом такте БКДИ 2 верного цифрового значения входного сигнала вне зависимости от его расположения относительно тактового импульса. Для этого каждый сигнал, соответствующий уровню логической единицы, задерживается на интервал, не превышающий периода повторения тактовых импульсов БКДИ 2. Время задержки видеоимпульса τ_зад зависит от его расположения относительно фронта тактового импульса БКДИ 2. В результате на первом выходе синхронизатора 17 сигнал логической единицы будет формироваться только в тех тактах, которым предшествуют тактовые периоды, содержащие видеоимпульсы логической единицы на входе синхронизатора 17. После восприятия синхронизатором 17 поступающего на его вход сигнала, соответствующего логической единице, вырабатывается видеоимпульс, который со второго выхода синхронизатора 17, являющегося третьим выходом БКДИ 2, подается на второй вход R(сброс) RS-триггера 16. Таким образом, на первом выходе синхронизатора 17 будет сформирована цифровая последовательность данных, отвечающая как уровням принимаемых сигналов, так и тактовой частоте БКДИ 2. Цифровые данные с первого выхода синхронизатора 17 поступают на вход КБПВ 18, который предназначен для проверки совпадений поступающей последовательности цифровых данных с заранее установленными кодовыми последовательностями. Каждое значение поступающей на вход КБПВ 18 последовательности цифровых данных записывается в регистр со сдвигом. В КБПВ 18 происходит подсчет совпадений логических единиц последовательности цифровых данных с числом предполагаемых логических единиц, расставленных по закону, соответствующему определенной кодовой последовательности кодового алфавита η. Сопоставление со всеми кодовыми последовательностями кодового алфавита происходит одновременно (параллельно). Число выходов КБПВ 18 соответствует количеству кодовых символов s кодового алфавита. На каждом из выходов формируется сигнал µ, соответствующий числу совпадений логических единиц в двух сопоставляемых последовательностях. Передвигаясь по регистру, входная последовательность цифровых данных в определенный момент обеспечит формирование на одном из выходов КБПВ 18 максимального значения выходного сигнала µ_макс. Значение µ на других выходах будет значительно меньше вследствие несовпадения расстановки логических единиц в сопоставляемых последовательностях. В результате этого вероятность принятия правильного решения об уровне принимаемого сигнала увеличивается, что способствует повышению помехозащищенности. Например, при использовании кодового алфавита, содержащего два символа, кодируемых, кодовыми последовательностями, показанными на фиг. 2 и фиг. 3, при последовательной передаче первого и второго кодового символа, на вход КБПВ 18 поступит последовательность логических значений, показанных на фиг. 6. Число выходов s КБПВ 18 в этом случае было бы равно двум. Результат сравнения поступивших данных с первой кодовой последовательностью показан на фиг. 7, а со второй кодовой последовательностью - на фиг. 8. Данные с КБПВ 18, объединенные в s-канальную шину, поступают на БКО 19. У БКО 19 количество входов s равно количеству выходов КБПВ 18. Каждый s-й вход получает данные, соответствующие одному определенному кодовому символу. Для того чтобы кодовые символы были приняты в соответствии с кодовым алфавитом, каждый выход КБПВ 18, выводящий данные по конкретному кодовому символу, должен быть соединен с входом БКО 19, который, воспринимает данные по этому же символу. В БКО 19 имеется две ячейки памяти. В первой ячейке хранится поступившее значение µ, а во второй - кодовый символ. В первоначальном состоянии в первую ячейку БКО 19 записывается 0. Кроме того устанавливается порог защиты от ложных срабатываний, величина которого подбирается в зависимости от количества логических единиц в кодовых последовательностях. В БКО 19 происходит сравнение данных, поступивших из КБПВ 18 по s-канальной шине данных, представляющих собой натуральные числа. Величина поступающего числа определяется значением η, используемым в s-м канале. Затем находится максимальное из поступивших чисел γ. Если найденное максимальное значение γ превышает порог защиты от ложных срабатываний, а также превышает число, находящееся в первой ячейке памяти, то, кодовый символ, соответствующий s-му входу, на который было передано максимальное значение γ, запоминается во второй ячейке памяти. Если за промежуток времени, равный 0,9 от длительности передачи кодового символа, не производилась запись числа в первой ячейке памяти, а число в ячейке больше порога защиты от ложных срабатываний, то на выход подается кодовый символ, хранящийся во второй ячейке памяти. В первую ячейку памяти при этом записывается γ, а соответствующий кодовый символ записывается во вторую ячейку памяти.From the output of the comparator 15, rectangular ultra-wideband video pulses are fed to the first input of the RS flip-flop 16, the purpose of which is to generate rectangular pulses of the desired duration and amplitude (Fig. 5, diagram 7), necessary to ensure the operation of the programmable logic integrated circuit (FPGA) [5], on which the BKDI 2 is built. From the output of the RS-trigger, the video pulses of the required duration are fed to the second input of the BKDI 2, and more specifically, to the first input of the synchronizer 17. The synchronizer 17 is intended for transmission in each cycle of the BKDI 2 true digital value of the input signal, regardless of its location relative to the clock pulse. For this, each signal corresponding to the level of the logical unit is delayed by an interval not exceeding the repetition period of the clock pulses of the BKDI 2. The delay time of the video pulse τ _ass depends on its location relative to the front of the clock pulse of the BKDI 2. As a result, at the first output of the synchronizer 17, the signal of the logical unit will be be formed only in those clocks preceded by clock periods containing video pulses of a logical unit at the input of the synchronizer 17. After the synchronizer receives 17 incoming and its signal input corresponding to a logical unit produces a video pulse, which from the second output of the synchronizer 17, which is the third output of the BKDI 2, is fed to the second input R (reset) of the RS-trigger 16. Thus, a digital sequence will be generated at the first output of the synchronizer 17 data corresponding to both the levels of the received signals and the clock frequency of the BKDI 2. Digital data from the first output of the synchronizer 17 is fed to the input KBPV 18, which is designed to verify matches of the incoming sequence These are digital data with predefined code sequences. Each value arriving at the input KBPV 18 sequence of digital data is written into the register with a shift. In KBPV 18, the coincidence of logical units of a sequence of digital data with the number of expected logical units arranged according to a law corresponding to a certain code sequence of the code alphabet η is counted. Comparison with all code sequences of the code alphabet occurs simultaneously (in parallel). The number of outputs KBPV 18 corresponds to the number of code symbols s of the code alphabet. A signal µ is formed at each of the outputs, corresponding to the number of coincidences of logical units in two sequences being compared. Moving around the register, the input sequence of digital data at a certain moment will ensure the formation at one of the outputs of the KBPV 18 of the maximum value of the output signal µ _max . The value of µ at the other outputs will be significantly smaller due to a mismatch in the arrangement of logical units in the sequences being compared. As a result of this, the probability of making the right decision about the level of the received signal increases, which contributes to increased noise immunity. For example, when using a code alphabet containing two characters encoded by the code sequences shown in FIG. 2 and FIG. 3, upon sequential transmission of the first and second code symbol, a sequence of logical values shown in FIG. 6. The number of outputs s KBPV 18 in this case would be equal to two. The result of comparing the received data with the first code sequence is shown in FIG. 7, and with the second code sequence, in FIG. 8. Data from KBPV 18, combined into an s-channel bus, is transmitted to BKB 19. At BKB 19, the number of inputs s is equal to the number of outputs of KBKV 18. Each s-th input receives data corresponding to one particular code symbol. In order for the code symbols to be accepted in accordance with the code alphabet, each output of the CBPV 18, outputting data on a particular code symbol, must be connected to the input of the CCU 19, which receives data for the same symbol. BKO 19 has two memory cells. In the first cell, the received value µ is stored, and in the second - a code symbol. In the initial state, 0. is set to the first cell of BKO 19. In addition, a threshold for protection against false alarms is set, the value of which is selected depending on the number of logical units in the code sequences. In BKO 19, a comparison is made of the data received from KBPV 18 on the s-channel data bus, which are natural numbers. The value of the incoming number is determined by the value of η used in the s-th channel. Then the maximum of the received numbers γ is found. If the found maximum value of γ exceeds the threshold of protection against false alarms, and also exceeds the number located in the first memory cell, then the code symbol corresponding to the s-th input to which the maximum value of γ was transmitted is stored in the second memory cell. If for a period of time equal to 0.9 of the transmission duration of the code symbol, the number in the first memory cell was not recorded, and the number in the cell was greater than the threshold for protection against false alarms, then the code symbol stored in the second memory cell is output. In this case, γ is recorded in the first memory cell, and the corresponding code symbol is recorded in the second memory cell.

Критерий определения принятого символа: кодовый символ считается принятым тогда и только тогда, когда число γ, пришедшее на соответствующий s-й вход БКО 19 превысило порог защиты от ложных срабатываний, а другие числа, пришедшее на остальные входы БКО 19 за промежуток времени, равный 0,9 от длительности передачи кодового символа, не превышает γ. Выявленные на основе данного критерия кодовые символы подаются на вход БВС 20. Для разделения принимаемых байт информации между собой устанавливается временной интервал τ, определяемый временем передачи одной кодовой последовательности [6]. В БВС 20 программным образом анализируются интервалы между принятыми символами с выхода БКО 19. Если временной интервал между принятыми символами превышает τ, а размер сформированного слова, предшествующего этому интервалу, не достиг объема в 1 байт, то информация, накопленная в принимаемом слове, в дальнейшей обработке не учитывается, т.е. обнуляется.Criterion for determining the received symbol: a code symbol is considered adopted if and only if the number γ that arrived at the corresponding s-th input of BKO 19 exceeded the protection threshold from false alarms, and other numbers that arrived at the other inputs of BKO 19 for a period of time equal to 0 , 9 of the transmission duration of the code symbol, does not exceed γ. Identified on the basis of this criterion, the code symbols are fed to the input of the BVS 20. To separate the received bytes of information between themselves, a time interval τ is determined, determined by the transmission time of one code sequence [6]. In the BVS 20, the intervals between the received symbols from the output of the BKO 19 are analyzed in a software manner. If the time interval between the received symbols exceeds τ and the size of the generated word preceding this interval does not reach 1 byte, then the information accumulated in the received word will be further processing is not taken into account, i.e. zeroed out.

Если размер сформированного слова достиг объема в 1 байт до временного интервала между принятыми символами с БКО 19, превышающего τ, то принятый расшифрованный байт информации передается на второй вход интерфейса 3.If the size of the generated word reached a volume of 1 byte before the time interval between the received symbols with BKO 19 exceeding τ, then the received decrypted byte of information is transmitted to the second input of interface 3.

При приеме данных по второму входу интерфейс 3 преобразует воспринятую информацию известными методами [2, 3] в пакеты цифровых данных. Пакеты цифровых данных с второго выхода интерфейса 3, являющегося четвертым выходом БКДИ 2 поступает на вход УВВИ 1. Блок УВВИ 1 представляет собой ЭВМ, имеющую в своем составе WEB-камеру, микрофон, динамики и монитор, вследствие чего способную воспроизводить переданное сообщение в визуальной и звуковой форме. БКДИ 2 может быть реализован на базе программируемых логических интегральных схем [7]. Такое решение позволяет совершать все необходимые для кодирования и декодирования сообщений операции в одном чипе, избегая необходимости простоя канала в течение времени передачи данных из УВВИ 1 в БКДИ 2 и декодирования данных БКДИ 2.When receiving data via the second input, interface 3 converts the received information by known methods [2, 3] into digital data packets. Digital data packets from the second output of interface 3, which is the fourth output of BKDI 2, are input to UVVI 1. UVVI 1 is a computer that includes a WEB camera, microphone, speakers, and a monitor, as a result of which it can reproduce the transmitted message in visual and sound form. BKDI 2 can be implemented on the basis of programmable logic integrated circuits [7]. This solution allows you to perform all the operations necessary for encoding and decoding messages in one chip, avoiding the need for channel downtime during data transfer from UVVI 1 to BKDI 2 and decoding of BKDI 2 data.

Принцип декодирования информации в БКДИ 2 заключается в следующем. В КБПВ 18 сравнение принятой последовательности импульсов с периодом, зависящим от передаваемого символа кодового алфавита, сравнивается со всеми эталонными последовательностями кодов алфавита с помощью регистра со сдвигом, в результате чего при совпадении кодов формируется импульс с максимальной амплитудой. С помощью порогового устройства в БКО 19 принимается решение о приеме именно данного символа (например, нуля или единицы) исключая ложные срабатывания в течение периода приема символа, а в БВС происходит временная установка принятого символа в соответствии с установленным протоколом. Выделенная последовательность символов поступает с выхода БВС 20 на 2-й вход интерфейса 3, который наделяет проходящий через него поток данных служебной информацией. Далее совокупность информационных и служебных символов со второго выхода интерфейса 3 поступает на вход УВВИ 1, где преобразуется в видео или звуковую информацию, воспринимаемую пользователем в явном виде.The principle of decoding information in BKDI 2 is as follows. In KBPV 18, a comparison of the received pulse sequence with a period depending on the transmitted character of the code alphabet is compared with all reference sequences of alphabet codes using a shift register, as a result of which, when the codes match, a pulse with a maximum amplitude is generated. Using a threshold device in BKO 19, a decision is made to receive this particular symbol (for example, zero or one), excluding false positives during the period of receiving the symbol, and in the BVS, the received symbol is temporarily set in accordance with the established protocol. The selected sequence of characters comes from the output of the BVS 20 to the 2nd input of interface 3, which gives the data stream passing through it with service information. Next, the set of information and service symbols from the second output of the interface 3 is fed to the input UVVI 1, where it is converted into video or audio information that is perceived by the user in an explicit form.

Все вновь введенные элементы схемы являются известными или легко реализуемыми, что говорит об общей технической реализуемости предлагаемого приемопередающего модуля для обмена данными с помощью сверхширокополосных сигналов. Например, БФСШВИ 6 может быть выполнен на микросхемах логических элементов И, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, НЕ и интегрирующей RC-цепочке, включенных согласно схеме формирователя коротких импульсов [8]. Генератор 7 может быть построен на полевом транзисторе согласно схеме генератора Пирса. В качестве антенного переключателя 9 может быть использована микросхема НМС427 [9]. В качестве антенны 10 могут быть применены ТЕМ-рупоры [10]. В качестве фильтра 11 может быть использована микросборка BFCN-4100+[11]. Широкополосный усилитель 12 может быть выполнен на микросхеме MGA86576 [12]. В качестве компаратора 15 может быть использована микросхема ADCMP553 [13]. RS-триггер 16 может быть построен на двух логических микросхемах ИЛИ-НЕ. Кодер 5 может быть реализован программно-аппаратно на ПЛИС xc6s1x150 [14]. Кодеры в настоящее время широко распространены, принципы их работы рассмотрены в [15].All newly introduced circuit elements are known or easily implemented, which indicates the general technical feasibility of the proposed transceiver module for data exchange using ultra-wideband signals. For example, BFSWI 6 can be performed on microcircuits of logical elements AND, EXCLUSIVE OR, NOT and an integrating RC-circuit included according to the circuit of the shaper of short pulses [8]. The generator 7 can be built on a field effect transistor according to the circuit of the Pierce generator. As the antenna switch 9 can be used chip NMS427 [9]. As the antenna 10, TEM horns can be used [10]. As the filter 11 can be used microassembly BFCN-4100 + [11]. Broadband amplifier 12 can be performed on the chip MGA86576 [12]. As a comparator 15 can be used chip ADCMP553 [13]. The RS flip-flop 16 can be built on two logical OR-NOT chips. Encoder 5 can be implemented in hardware and software on FPGA xc6s1x150 [14]. Coders are currently widespread, the principles of their work are considered in [15].

Из описания работы предложенного приемопередающего модуля для обмена данными с помощью сверхширокополосных сигналов следует, что он может более надежно и качественно передавать и принимать закодированную информацию поскольку каждый из передаваемых элементов кода - логический уровень - передается не единичным импульсом, а последовательностью импульсов с соответствующим периодом повторения, которая в КБПВ 18 сравнивается с со всеми последовательностями, соответствующими алфавиту символов, используемому для передачи сообщений, путем их сложения со сдвигом. В результате этого при совпадении последовательностей формируется суммарный импульс с большой амплитудой, что повышает надежность идентификации принятого логического уровня при работе в помехах по сравнению со случаями идентификации по ширине или временному положению шумоподобного сигнала, предусмотренному в прототипе [1]. При этом даже при утрате части принятых импульсов из последовательности в случае совпадения ее с «эталонной» последовательностью для данного логического уровня суммарный сигнал будет наибольшим среди всех других случаев, где совпадения нет. В то же время, использование в приемопередающем модуле сверхвысокочастотных сигналов, энергия которых распределена в широком спектре, приводит к тому, что ее спектральная плотность мала и может быть соизмерима с уровнем шумов, в результате чего предлагаемая система может быть использована для скрытой передачи текстовой, графической и мультимедийной информации. Предложенный приемопередающий модуль для обмена данными может использоваться в качестве скрытой системы передачи текстовой, графической и мультимедийной информации, а также в качестве помехоустойчивой системы приема и декодирования информации.From the description of the proposed transceiver module for exchanging data using ultra-wideband signals, it follows that it can more reliably and efficiently transmit and receive encoded information since each of the transmitted code elements - a logical level - is transmitted not by a single pulse, but by a sequence of pulses with a corresponding repetition period, which in KBPV 18 is compared with all sequences corresponding to the alphabet of characters used to transmit messages, by and x addition with shift. As a result of this, when the sequences coincide, a total pulse with a large amplitude is formed, which increases the reliability of identification of the received logic level when working in interference compared with cases of identification by the width or temporary position of the noise-like signal provided in the prototype [1]. Moreover, even when a part of the received pulses is lost from the sequence if it coincides with the “reference” sequence for a given logical level, the total signal will be the largest among all other cases where there is no coincidence. At the same time, the use of microwave signals in the transceiver module, whose energy is distributed over a wide spectrum, leads to the fact that its spectral density is low and can be commensurate with the noise level, as a result of which the proposed system can be used for covert transmission of text, graphic and multimedia information. The proposed transceiver module for data exchange can be used as a hidden system for transmitting text, graphic and multimedia information, as well as a noise-immune system for receiving and decoding information.

Claims (1)

Приемопередающий модуль для обмена данными с помощью сверхширокополосных сигналов, содержащий сверхширокополосный усилитель мощности, антенну, а также последовательно соединенные фильтр и широкополосный усилитель, отличающийся тем, что в его состав дополнительно введены устройство ввода и вывода информации, блок кодирования и декодирования информации, блок формирования сверхширокополосных видеоимпульсов, генератор сверхширокополосных радиоимпульсов, заполняющий видеоимпульсы колебаниями высокой частоты, антенный переключатель, амплитудный детектор, блок фильтрации и усиления, компаратор, RS-триггер, а в состав блока кодирования и декодирования информации введены последовательно соединенные синхронизатор, кольцевой буфер с параллельной выгрузкой, блок критериальной обработки, блок временной селекции, последовательно подключенные интерфейс, буфер данных и кодер, при этом выход устройства ввода и вывода информации соединен с первым входом интерфейса, первый выход кодера подключен ко входу блока формирования сверхширокополосных видеоимпульсов, а второй выход - к первому входу антенного переключателя, выход блока формирования сверхширокополосных видеоимпульсов связан со входом генератора сверхширокополосных радиоимпульсов, выход которого подключен ко входу сверхширокополосного усилителя мощности, выход которого подключен ко второму входу антенного переключателя, вход-выход которого подключен к вход-выходу антенны, а выход - ко входу фильтра, выход широкополосного усилителя подключен ко входу амплитудного детектора, выход которого связан со входом блока фильтрации и усиления, выход которого подключен ко входу компаратора, выход которого соединен с первым входом RS-триггера, второй вход которого подключен к второму выходу синхронизатора, а выход - ко входу синхронизатора, выход блока временной селекции связан со вторым входом интерфейса, второй выход которого соединен с входом устройства ввода и вывода информации, причем выход кольцевого буфера с параллельной выгрузкой соединен со входом блока критериальной обработки с помощью s-канальной шины, число каналов s в которой определяется числом используемых для передачи информации кодовых символов.

A transceiver module for exchanging data using ultra-wideband signals, comprising an ultra-wideband power amplifier, an antenna, as well as a series-connected filter and a wideband amplifier, characterized in that it also includes an input and output device, an information encoding and decoding unit, an ultra-wideband generating unit video pulses, an ultra-wideband radio pulse generator, filling video pulses with high-frequency oscillations, an antenna switch, an amplitude detector, a filtering and amplification unit, a comparator, an RS flip-flop, and a sequentially connected synchronizer, a ring buffer with parallel unloading, a criterion processing unit, a temporal selection unit, a serial connected interface, a data buffer and an encoder are included in the information coding and decoding unit the output of the input and output information device is connected to the first input of the interface, the first output of the encoder is connected to the input of the ultra-wideband video pulse generation unit, and the second output is to the first input of the antenna switch, the output of the ultra-wideband video pulse generating unit is connected to the input of the ultra-wideband radio pulse generator, the output of which is connected to the input of the ultra-wideband power amplifier, the output of which is connected to the second input of the antenna switch, the input-output of which is connected to the input-output of the antenna, and the output is to the filter input, the output of the broadband amplifier is connected to the input of the amplitude detector, the output of which is connected to the input of the filtering and amplification unit, the output of which о is connected to the input of the comparator, the output of which is connected to the first input of the RS-trigger, the second input of which is connected to the second output of the synchronizer, and the output is connected to the input of the synchronizer, the output of the temporary selection unit is connected to the second input of the interface, the second output of which is connected to the input of the input device and outputting information, the output of the ring buffer with parallel unloading being connected to the input of the criterion processing unit using an s-channel bus, the number of channels s in which is determined by the number of information used for transmission code character ratios.

Images