RU2327288C1 - Система радиосвязи с множественным доступом - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано при разработке систем с множественным доступом, использующих шумоподобные сигналы. Достигаемый технический результат - увеличение эффективности использования радиочастотного спектра, уменьшение влияния внутрисистемных помех в системах с множественным доступом, улучшение электромагнитной совместимости с узкополосными средствами передачи информации и снижение степени воздействия кроссполяризованных помех. Система радиосвязи содержит в передающей части - первый блок переключения поляризационных состояний, генератор тактовых импульсов, генератор, управляемый напряжением, первый и третий блоки выработки кода ПСП, первый, четвертый и пятый блоки перемножения, передающие антенны основной и ортогональной поляризации, в приемной части - приемные антенны основной и ортогональной поляризации, первый и второй поляризационные фильтры, второй и третий блоки переключения поляризационных состояний, второй генератор, управляемый напряжением, инвертор, второй, третий, шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый блоки перемножения, второй и четвертый блоки выработки кода ПСП, первый, второй, третий и четвертый блоки суммирования, первый и второй блоки вычитания, генератор меандра, первый и второй блоки возведения в квадрат, первый и второй блоки принятия решения, блок синхронизации и схему объединения сигналов. 5 ил.

Description

Предлагаемое изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано при построении систем с множественным доступом, использующих шумоподобные сигналы.

Системы радиосвязи с множественным доступом имеют ограничение по количеству одновременно обслуживаемых абонентов [Скляр Б. «Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение», - М.: Издательский дом «Вильяме», 2003 г., стр.676], что не удовлетворяет стремительно растущим потребностям в емкости этих систем.

Известна система радиосвязи с множественным доступом, приведенная в патенте US 6448941 B1, H01Q 1/36 от 10.09.2002 г., в которой осуществляется скачкообразная перестройка поляризации сигнала несущей синхронно с псевдослучайной перестройкой несущей частоты, что достигается использованием на передающей и приемной сторонах идентичных антенн специальной конструкции; поляризационное состояние элементов излучаемого сигнала зависит от частоты питающего напряжения и на длительности сигнала может принимать несколько заданных состояний.

У этой системы несколько недостатков:

- жесткая связь поляризационного состояния элементов сигнала с частотой несущего колебания, что ограничивает количество возможных кодовых комбинаций на плоскости "частота-поляризация", следовательно, и количество одновременно обслуживаемых абонентов в системе;

- необходимость антенн специальной конструкции, идентичных на передающей и приемной сторонах;

- несмотря на наличие поляризационной избыточности пропускная способность линий радиосвязи такая же, как у традиционных способов со скачкообразным изменением частоты.

Известны также варианты систем множественного доступа из [US 2004/0264592 A1, H04L 1/02 от 30.12.2004 г.], в которых несколько абонентов одновременно используют канал передачи, причем каждый абонент либо излучает сигнал, где информационный символ модулирует несущую, а уникальная псевдослучайная последовательность (ПСП) кодирует радиосигнал путем чередования поляризационных состояний его элементов, либо сигнал, сформированный прямым расширением спектра, дополнительно кодируется уникальной псевдослучайной последовательностью путем чередования поляризационных состояний элементов фазоманипулированного шумоподобного сигнала.

Недостатки таких систем:

- наличие поляризационной избыточности не увеличивает их пропускную способность по сравнению с системами, использующими традиционный способ прямого расширения спектра сигнала;

- наличие более чем двух поляризационных состояний требует специальных схем компенсации кроссполяризованных составляющих даже в отсутствие поляризационных искажений сигналов.

Наиболее близкой по технической сущности является система множественного доступа с разнесением элементов по поляризационным состояниям, описанная в заявке US 2004/0114548 A1 H04B 7/204 от 17.06.2004 г, рис.3, принятая за прототип.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства-прототипа, где приведены следующие обозначения:

1, 7, 8 - первый, второй и третий блоки переключения поляризационных состояний (БПС) (соответствуют элементам 31, 45, 46, соответственно, на рис.3 описания прототипа);

2, 13 - первый и второй генераторы, управляемые напряжением (ГУН) (соответствуют элементам 32, 52);

3, 11, 12 - первый, второй и третий блоки перемножения (БП) (соответствуют элементам 34, 50, 51);

4, 9 - первый и второй блоки выработки кода ПСП (БПК) (соответствуют элементам 35, 47);

5 - передающая антенна основной поляризации (ПдА₁) (соответствует элементу 36);

6 - передающая антенна ортогональной поляризациии (ПдА₂) (соответствует элементу 37);

10 - инвертор (соответствует элементу 49);

14, 15 - первый и второй блоки суммирования (БС) (соответствуют элементам 53, 54);

16 - блок вычитания (БВ) (соответствует элементу 55);

17 - приемная антенна основной поляризации (ПрА₁) (соответствует элементу 41);

18 - приемная антенна ортогональной поляризациии (ПрА₂) (соответствует элементу 42);

19, 20 - первый и второй поляризационные фильтры (ПФ) (соответствуют элементам 43, 44).

Устройство-прототип содержит передающую и приемную части.

Передающая часть содержит последовательно соединенные первый генератор 2, управляемый напряжением (ГУН), и первый блок переключения поляризационных состояний (БПС) 1, первый и второй выходы которого подключены к передающим антеннам основной поляризации (ПдА₁) 5 и ортогональной поляризации (ПдА₂) 6 соответственно; последовательно соединенные первый блок выработки кода ПСП (БПК) 4 и первый блок перемножения (БП) 3, выход которого соединен со вторым входом первого БПС 1, а первый вход является информационным входом устройства.

Приемная часть содержит последовательно соединенные приемную антенну основной поляризации (ПрА₁) 17, первый поляризационный фильтр (ПФ) 19, второй БПС 7, второй БП 11 и первый блок суммирования (БС) 14, выход которого соединен с первым входом блока вычитания (БВ) 16, выход которого является выходом устройства; последовательно соединенные приемную антенну ортогональной поляризации (ПрА₂) 18, второй ПФ 20, третий БПС 8, третий БП 12 и второй БС 15, выход которого соединен со вторым входом БВ 16; при этом второй вход третьего БПС 8 соединен с выходом первого ПФ 19, второй вход второго БПС 7 соединен с выходом второго ПФ 20, первый выход второго БПК 9 соединен с третьим входом второго БПС 7, а второй выход через инвертор 10 соединен с третьим входом третьего БПС 8, первый и второй выходы второго ГУН 13 соединены соответственно со вторыми входами второго БП 11 и третьего БП 12.

Устройство-прототип работает следующим образом.

Передающая часть

Двоичная информация в виде однополярных импульсов напряжения с единичной амплитудой u_n длительностью Т₀ поступает на первый вход первого БП 3.

Одновременно с выхода первого БПК 4 на второй вход первого БП 3 поступает управляющая ПСП:

u_m(t)=u_m[t-(m-1)τ₀],

где u_m - биполярные импульсы напряжения единичной амплитуды длительностью τ₀=T₀/N,

N - количество таких импульсов (элементов) в ПСП (база),

m=1, 2, ..., N - номер элемента ПСП,

t - текущее время.

С выхода блока 3 на второй вход первого БПС 1 поступает управляющее напряжение в виде ПСП, модулированной информационными импульсами u_n:

u_nm=u_nu_m[t-(m-1)τ₀].

Одновременно с выхода первого ГУН 2 на первый вход первого БПС 1 поступает несущее колебание:

U=U₀cosωt,

где U₀ - амплитуда колебания,

ω=2πf,

f - циклическая частота колебания.

В соответствии со значениями текущих элементов управляющей ПСП u_nm на первом и втором выходах первого БПС 1 формируются элементарные радиоимпульсы U_nm=u_nmU_0nmcosωt, определяемые соответствующими значениями: u_nm=1 и u_nm=-1, которые подаются соответственно на ПдА₁ 5 и ортогональную ей ПдА₂ 6.

Таким образом, сигналы, излучаемые ПдА₁ 5 и ПдА₂ 6, поступают в поляризационно-ортогональные каналы, в которых радиоимпульсы определяются значением:

где

- векторы, характеризующие поляризационные состояния элементарного радиоимпульса, излучаемого ПдА₁ 5 или ПдА₂ 6, то есть несущее колебание модулируется набором элементных векторов поляризации

.

Значит в канал связи поступит векторный полезный сигнал:

Приемная часть

При приеме элементарные радиоимпульсы напряжений сигнала (1) через ПрА₁ 17 и ПрА₂ 18 поступают на входы соответствующих первого ПФ 19 и второго ПФ 20, которые обеспечивают поступление на первые входы второго БПС 7 и третьего БПС 8 элементарных радиоимпульсов с поляризационными состояниями, соответствующими поляризационным состояниям элементарных радиоимпульсов полезного сигнала. Одновременно с первого выхода второго БПК 9 на третий вход второго БПС 7 поступает опорная ПСП, со второго выхода второго БПК 9 через инвертор 10 на третий вход третьего БПС 8 поступает инвертированная опорная ПСП, с выходов второго ГУН 13 на вторые входы второго БП 11 и третьего БП 12 поступает опорное колебание U=U₀cosωt, при этом формируются векторные опорные сигналы сигнального и опорного каналов, соответственно:

В сигнальном канале функционируют блоки 7, 11, 14; в опорном канале функционируют блоки 8, 12, 15. С выхода второго БП 11 на вход первого БС 14 поступят элементарные импульсы с энергией

, а с его выхода на первый вход БВ 16 поступит корреляционная функция полезного сигнала сигнального канала:

С выхода третьего БП 12 на вход второго БС 15 поступят элементарные импульсы с энергией

, а с его выхода на второй вход БВ 16 поступит корреляционная функция полезного сигнала опорного канала:

где

и

- элементные вектора поляризации опорных сигналов сигнального и опорного каналов соответственно;

величины

- модули коэффициентов корреляции по поляризации элементарных радиоимпульсов полезного сигнала в сигнальном и опорном каналах;

«т» - символ транспонирования;

символ «⊥» в индексах говорит о том, что данная величина относится к опорному каналу.

Таким образом, с выхода БВ 16 на выход устройства поступит разность

В отсутствие помех и искажений поляризационных состояний элементарных радиоимпульсов полезного сигнала

,

, следовательно, на выход устройства поступит полная энергия полезного сигнала:

В случае поступления на ПрА₁ 17 и ПрА₂ 18 полезного сигнала и сигналоподобной помехи, которая отличается от полезного сигнала только случайным набором элементных векторов поляризации

, с выхода первого БС 14 на первый вход БВ 16 поступает сумма корреляционных функций полезного сигнала и сигналоподобной помехи в сигнальном канале:

где

- квадрат модуля коэффициента корреляции по поляризации элементарных импульсов помехи и опорного сигнала сигнального канала.

Одновременно с выхода второго БС 15 на второй вход БВ 16 поступает сумма корреляционных функций полезного сигнала и сигналоподобной помехи в опорном канале, величина которой зависит от состояния поляризационно-ортогональных каналов и коэффициента корреляции по поляризации элементарных импульсов помехи и опорного сигнала опорного канала:

где

- квадрат модуля коэффициента корреляции по поляризации элементарных импульсов помехи и опорного сигнала опорного канала.

Таким образом, при отсутствии искажений поляризационного состояния элементарных импульсов полезного сигнала и помехи с выхода БВ 16 на выход устройства поступит разность:

Как видно из (8), величина помеховой составляющей определяется базой полезного сигнала, соотношением амплитуд полезного сигнала и помехи, а также степенью отличия коэффициентов корреляции по поляризации элементарных импульсов опорного сигнала и помехи в сигнальном и опорном каналах. Учитывая, что у помехи элементные вектора поляризации

распределены случайно, с большой вероятностью можно ожидать, что количество элементарных помеховых импульсов, попавших в сигнальный и опорный каналы, примерно одинаково, следовательно, сумма

по величине будет очень мала, и помеха будет эффективно режектирована.

В случае отсутствия помех, но при искажении средой распространения поляризационных состояний элементарных радиоимпульсов полезного сигнала, у элементного вектора поляризации появляется составляющая в поляризационно-ортогональном канале, то есть появляются кроссполяризованные (межканальные) помехи, и любой элементный вектор поляризации из набора таких векторов

, принимаемых из канала связи, будет отличаться от своего исходного значения

. Тогда для элементарных радиоимпульсов для сигнального канала

Для опорного канала

При этом, так как полная энергия сигнала сохраняется, должно соблюдаться соотношение:

Это приводит к тому, что в сигнальном канале на выходе блока 14 энергия уменьшается:

а в опорном канале на выходе блока 15 появляется энергия кроссполяризованной составляющей

Тогда энергия сигнала на выходе блока 16 еще уменьшится на величину (10) по сравнению с (9):

Например, пусть поляризационно-ортогональные каналы являются симметричными и квазистационарными, то есть на длительности сигнала Т₀ поляризационное состояние всех его элементарных радиоимпульсов сохраняется, и оно одинаково для обоих поляризационно-ортогональных каналов, но от сигнала к сигналу это поляризационное состояние может быть различным, тогда

Предположим, что

Как видно, пятнадцатипроцентное различие в поляризационном состоянии элементарных импульсов полезного и опорного сигналов приводит примерно к 55% энергетических потерь. Таким образом, за счет «перекачки» энергии элементарных радиоимпульсов полезного сигнала с основной поляризации на ортогональную поляризацию полезный сигнал теряет примерно 27,5% энергии и еще дополнительно из него «вырезается» 27,5% энергии за счет обработки, предложенной в системе-прототипе. Это говорит о том, что при внесении средой распространения искажений в поляризационную структуру сигналов реализация обработки полезного сигнала на приемной стороне, которая предложена в прототипе, приведет к дополнительному его подавлению. Степень подавления будет определяться величиной искажения поляризационного состояния элементарных радиоимпульсов полезного сигнала, приводящих к нарушению ортогональности их элементных векторов поляризации, передаваемых на ортогональных поляризациях.

Таким образом, анализ системы-прототипа показывает, что у нее есть три существенных недостатка:

- избыточность, которую вносит разнесение элементарных импульсов полезного сигнала по ортогональным поляризационным состояниям, используется не в полной мере, а только для разделения абонентов в системах связи с множественным доступом, в то время как пропускная способность линий связи при этом остается такой же, как и у систем, использующих кодовое разделение с помощью обычного прямого расширения спектра на одном фиксированном типе поляризации;

- элементарные импульсы информационных символов однополярны, а значит, на основной и ортогональной поляризациях они могут суммироваться без компенсации при корреляционной обработке сигналов в приемных устройствах узкополосных систем передачи информации, работающих на фиксированных поляризациях, тем самым могут вноситься большие искажения в полезную информацию;

- при наличии искажений поляризационной структуры элементарных радиоимпульсов полезного сигнала, которые вносятся средой распространения, при обработке на приемной стороне происходит его дополнительное подавление.

Для устранения указанных недостатков в систему радиосвязи с множественным доступом, содержащую передающую и приемную части, в передающей части содержащую первый генератор, управляемый напряжением, последовательно соединенные первый блок выработки кода псевдослучайной последовательности (ПСП), первый блок перемножения и первый блок переключения поляризационных состояний, первый и второй выходы которого подключены соответственно к передающим антеннам основной и ортогональной поляризации, причем первый вход первого блока перемножения является первым информационным входом устройства; в приемной части содержащую второй генератор, управляемый напряжением, последовательно соединенные приемную антенну основной поляризации, первый поляризационный фильтр, второй блок переключения поляризационных состояний, второй блок перемножения, первый блок суммирования и первый блок вычитания; последовательно соединенные приемную антенну ортогональной поляризации, второй поляризационный фильтр, третий блок переключения поляризационных состояний, третий блок перемножения и второй блок суммирования; последовательно соединенные второй блок выработки кода ПСП и инвертор, выход которого соединен с третьим входом третьего блока переключения поляризационных состояний, а первый выход второго блока выработки кода ПСП соединен с третьим входом второго блока переключения поляризационных состояний; кроме того, выход первого поляризационного фильтра соединен со вторым входом третьего блока переключения поляризационных состояний, а выход второго поляризационного фильтра соединен со вторым входом второго блока переключения поляризационных состояний, согласно изобретению в передающую часть введены: генератор тактовых импульсов и последовательно соединенные третий блок выработки кода ПСП, четвертый и пятый блоки перемножения, при этом первый вход пятого блока перемножения соединен с выходом первого генератора, управляемого напряжением, а выход - с первым входом первого блока переключения поляризационных состояний, выход генератора тактовых импульсов соединен с синхронизирующими входами первого и третьего блоков выработки кода ПСП, первый вход четвертого блока перемножения является вторым информационным входом устройства; в приемную часть введены: последовательно соединенные девятый блок перемножения и третий блок суммирования; последовательно соединенные десятый блок перемножения и четвертый блок суммирования; последовательно соединенные четвертый блок выработки кода ПСП и шестой блок перемножения; последовательно соединенные генератор меандра, восьмой и седьмой блоки перемножения; последовательно соединенные схема объединения сигналов и блок синхронизации; последовательно соединенные первый блок возведения в квадрат и первый блок принятия решения, выход которого является первым выходом устройства; а также второй блок вычитания, второй блок возведения в квадрат и второй блок принятия решения, выход которого является вторым выходом устройства, при этом первый и второй выходы второго генератора, управляемого напряжением, соединены соответственно со вторыми входами шестого и седьмого блоков перемножения, выход второго блока переключения поляризационных состояний соединен со входом девятого блока перемножения, выход третьего блока переключения поляризационных состояний соединен со входом десятого блока перемножения, выход третьего блока суммирования соединен со вторым входом первого блока вычитания, выход которого соединен со входом первого блока возведения в квадрат, а также с первыми входами схемы объединения сигналов и второго блока принятия решения, выход четвертого блока суммирования соединен со вторым входом второго блока вычитания, выход которого соединен со входом второго блока возведения в квадрат и вторыми входами схемы объединения сигналов и второго блока принятия решения; выход блока синхронизации соединен с синхронизирующими входами первого, второго, третьего и четвертого блоков суммирования, второго и четвертого блоков выработки кода ПСП, первого и второго блоков принятия решения, а также генератора меандра и второго генератора, управляемого напряжением.

Функциональная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.2а и 2б.

На фиг.2а представлена функциональная схема передающей части предлагаемого устройства, где введены следующие обозначения:

1 - первый блок переключения поляризационных состояний (БПС);

2 - первый генератор, управляемый напряжением (ГУН);

3, 37, 38 - первый, четвертый и пятый блоки перемножения (БП);

4, 35 - первый и третий блоки выработки кода ПСП (БПК);

5 - передающая антенна основной поляризации (ПдА₁);

6 - передающая антенна ортогональной поляризации (ПдА₂);

31 - генератор тактовых импульсов.

На фиг.2б представлена функциональная схема приемной части предлагаемого устройства, где введены следующие обозначения:

7, 8 - второй и третий блоки переключения поляризационных состояний (БПС);

9, 23 - второй и четвертый блоки выработки кода ПСП (БПК);

10 - инвертор;

11, 12, 21, 22, 25...27 - второй, третий, шестой, седьмой, восьмой... десятый блоки перемножения (БП);

13 - второй генератор, управляемый напряжением (ГУН);

14, 15, 28, 29 - первый, второй, третий и четвертый блоки суммирования (БС);

16, 39 - первый и второй блоки вычитания (БВ);

17 - приемная антенна основной поляризации (ПрА₁);

18 - приемная антенна ортогональной поляризации (ПрА₂);

19, 20 - первый и второй поляризационные фильтры (ПФ);

24 - генератор меандра (ГМ);

30 - блок синхронизации (БСН);

32, 36 - первый и второй блоки принятия решения (БПР);

33, 34 - первый и второй блоки возведения в квадрат (БВК);

40 - схема объединения сигналов (ОС).

Предлагаемая система радиосвязи с множественным доступом содержит передающую и приемную части.

Передающая часть (фиг.2а) содержит последовательно соединенные первый генератор 2, управляемый напряжением (ГУН), пятый блок перемножения (БП) 38 и первый блок переключения поляризационных состояний (БПС) 1, первый и второй выходы которого подключены к передающим антеннам основной поляризации (ПдА₁) 5 и отрогональной поляризации (ПдА₂) 6 соответственно; последовательно соединенные первый блок выработки кода ПСП (БПК) 4 и первый блок перемножения (БП) 3, выход которого соединен со вторым входом первого БПС 1, а первый вход является первым информационным входом устройства; последовательно соединенные третий БПК 35 и четвертый БП 37, выход которого соединен со вторым входом пятого БП 38, а первый вход является вторым информационным входом устройства, кроме того, содержит генератор тактовых импульсов 31, выход которого соединен с синхронизирующими входами первого БПК 4 и третьего БПК 35.

Приемная часть (фиг.2б) содержит последовательно соединенные приемную антенну основной поляризации (ПрА₁) 17, первый поляризационный фильтр (ПФ) 19, второй блок переключения поляризационных состояний (БПС) 7, второй блок перемножения (БП) 11, первый блок суммирования (БС) 14 и первый блок вычитания (БВ) 16, выход которого соединен с первым входом второго блока принятия решения (БПР) 36; последовательно соединенные приемную антенну ортогональной поляризации (ПрА₂) 18, второй ПФ 20, третий БПС 8, третий БП 12, второй БС 15 и второй БВ 39, выход которого соединен со вторым входом второго БПР 36; последовательно соединенные второй блок выработки кода ПСП (БПК) 9 и инвертор 10, выход которого соединен с третьим входом третьего БПС 8, а первый выход второго БПК 9 соединен с третьим входом второго БПС 7; последовательно соединенные девятый БП 26 и третий БС 28, выход которого соединен со вторым входом первого БВ 16, выход которого через первый блок возведения в квадрат (БВК) 33 соединен с первым входом первого блока принятия решения (БПР) 32; последовательно соединенные десятый БП 27 и четвертый БС 29, выход которого соединен со вторым входом второго БВ 39, выход которого через второй БВК 34 соединен со вторым входом первого БПР 32, выход которого является первым выходом устройства; последовательно соединенные четвертый БПК 23 и шестой БП 21, первый и второй выходы которого соединены соответственно со вторыми входами второго БП 11 и третьего БП 12, а второй вход шестого БП 21 соединен первым выходом второго ГУН 13; последовательно соединенные генератор меандра (ГМ) 24, восьмой БП 25 и седьмой БП 22, первый и второй выходы которого соединены соответственно со вторыми входами девятого БП 26 и десятого БП 27, а второй вход седьмого БП 22 соединен со вторым выходом второго ГУН 13; кроме того, выходы первого БВ 16 и второго БВ 39 соединены соответственно с первым и вторым входами схемы объединения сигналов (ОС) 40, выход которой соединен со входом блока синхронизации (БСН) 30, выход которого соединен с синхронизирующими входами второго ГУН 13, ГМ 24, четвертого БПК 23, второго БПК 9, первого БС 14, второго БС 15, третьего БС 28, четвертого БС 29, первого БПР 32 и второго БПР 36, выход которого является вторым выходом устройства; кроме того, выход первого ПФ 19 соединен со вторым входом третьего БПС 8, выход которого соединен со входом десятого БП 27, а выход второго ПФ 20 соединен со вторым входом второго БПС 7, выход которого соединен со входом девятого БП 26.

Предлагаемая система радиосвязи с множественным доступом работает следующим образом.

В передающей части

С первого информационного входа устройства двоичная информационная последовательность в виде биполярных импульсов напряжения с единичной амплитудой u_n=±1 длительностью Т₀ поступает на первый вход первого БП 3.

Одновременно с выхода первого БПК 4 на второй вход блока 3 поступает первая управляющая ПСП:

u_m(t)=u_m[t-(m-1)τ₀],

где u_m=±1 - биполярные импульсы напряжения единичной амплитуды длительностью τ₀=T₀/N.

В то же время со второго информационного входа устройства на первый вход четвертого БП 37 поступает вторая информационная последовательность в виде биполярных импульсов напряжения с единичной амплитудой ν_n=±1 и длительностью Т₀, а с выхода третьего БПК 35 на второй вход четвертого БП 37 поступает вторая управляющая ПСП той же длины, что и первая управляющая ПСП, но с другим набором элементарных импульсов:

ν_m(t)= ν_m[t-(m-1)τ₀],

где ν_m=±1.

Информационные импульсы ν_n, модулированные второй ПСП, поступают на второй вход пятого БП 38, на первый вход которого поступает несущее колебание с первого ГУН 2.

С выхода пятого БП 38 на первый вход первого БПС 1 поступает широкополосный фазоманипулированный сигнал с элементарными радиоимпульсами ν_nm=ν_nU₀cos(ωt+φ_m), где значение фазы элементарных радиоимпульсов φ_m (0 или π) определяется полярностью импульсов ν_m.

Одновременно с выхода блока 3 управляющее напряжение в виде ПСП, модулированной импульсами первой информационной последовательности u_nm=u_nu_m[t-(m-1)τ₀], поступает на второй вход первого БПС 1.

В соответствии с полярностью текущих элементов управляющей ПСП u_nm в канал связи через ПдА₁ 5 поступают элементарные радиоимпульсы, определяемые значением u_nm=1, а через ПдА₂ 6 - элементарные радиоимпульсы, определяемые значением u_nm=-1:

где

- векторы, характеризующие поляризационные состояния элементарного радиоимпульса, излучаемого антенной ПдА₁ 5 или ПдА₂ 6, то есть несущее фазоманипулированное колебание модулируется набором элементных векторов поляризации

. При этом на каждой поляризации могут передаваться элементарные радиоимпульсы как со значением фазы 0, так и со значением π. Значит в канал связи поступит векторный полезный сигнал:

Из (12) видно, что символы первой информационной последовательности закодированы в поляризационных состояниях элементарных радиоимпульсов сигнала, а символы второй информационной последовательности - в их начальных фазах.

В приемной части

С выходов ПрА₁ 17 и ПрА₂ 18 на входы соответствующих первого ПФ 19 и второго ПФ 20 поступают элементарные радиоимпульсы напряжений сигнала (12). Причем блоки 19 и 20 обеспечивают поступление на первые два входа второго 7 и третьего 8 БПС элементарных радиоимпульсов с поляризационными состояниями, соответствующими поляризационным состояниям элементарных радиоимпульсов полезного сигнала.

Одновременно с первого выхода второго БПК 9 на третий вход второго БПС 7 поступает опорная ПСП, соответствующая первой управляющей ПСП в передающей части, со второго выхода БПК 9 через инвертор 10 на третий вход третьего БПС 8 поступает эта же, но инвертированная ПСП.

В то же время с выходов второго ГУН 13 на вторые входы шестого БП 21 и седьмого БП 22 поступает опорное колебание U₀cos(ωt+φ_0m), с выхода четвертого БПК 23 на первый вход шестого БП 21 и второй вход восьмого БП 25 поступает копия второй управляющей ПСП, а с выхода ГМ 24 на первый вход восьмого БП 25 поступает меандровое напряжение:

С выхода восьмого БП 25 на первый вход седьмого БП 22 поступает результат модуляции второй ПСП меандром (13).

Таким образом, формируются векторные опорные сигналы первого (для u_n=1)

и второго (для u_n=-1)

сигнальных каналов, а также соответствующих им первого

и второго

опорных каналов.

Во втором БПС 7 снимается модуляция по поляризационным состояниям элементарных радиоимпульсов сигнала при передаче u_n=1, в третьем БПС 8 - при передаче u_n=-1, и на первые входы блоков 11 и 26 или блоков 12 и 27 поступают элементарные радиоимпульсы фазоманипулированного широкополосного сигнала ν_nm=ν_nU₀cos(ωt+φm).

Причем в первом сигнальном канале функционируют блоки 7, 11 и 14; а в соответствующем ему опорном канале функционируют блоки 7, 26 и 28; во втором сигнальном канале функционируют блоки 8, 12 и 15, а в соответствующий ему опорном канале функционируют блоки 8, 27 и 29.

При передаче u_n=1 с выхода блока 11 на первый вход первого БС 14 поступят элементарные импульсы с энергией

а с его выхода на первый вход первого БВ 16 поступит корреляционная функция полезного сигнала в первом сигнальном канале:

С выхода блока 26 на первый вход третьего БС 28 поступят элементарные импульсы с энергией:

С выхода блока 28 на второй вход первого БВ 16 поступит корреляционная функция полезного сигнала в первом опорном канале:

где

;

Следовательно, с выхода блока 16 на вход первого БВК 33, а также на первые входы схемы ОС 40 и второго БПР 36 поступит разность:

Схема ОС 40 объединяет две последовательности не совпадающих во времени информационных импульсов в одну общую последовательность.

При этом с выхода третьего БП 12 на первый вход второго БС 15 поступят элементарные импульсы с энергией

так как в отсутствие помех и искажений поляризационных состояний элементарных радиоимпульсов полезного сигнала

следовательно, на первый вход второго БВ 39 поступит корреляционная функция полезного сигнала во втором сигнальном канале Е_2ns=0, значит и на второй вход блока 39 поступит корреляционная функция полезного сигнала во втором опорном канале

, и с выхода второго БВ 39 на вход второго БВК 34, а также на вторые входы схемы ОС 40 и второго БПР 36 поступит разность:

При передаче u_n=-1 с выхода блока 11 на первый вход блока 14 поступят элементарные импульсы с энергией

, и с его выхода на первый вход блока 16 поступит корреляционная функция полезного сигнала в первом сигнальном канале Е_1ns=0, с выхода блока 26 на первый вход блока 28 поступят элементарные импульсы с энергией

и с его выхода на второй вход блока 16 поступит корреляционная функция полезного сигнала в первом опорном канале

; следовательно, с выхода блока 16 на вход первого БВК 33, а также на первые входы схемы ОС 40 и второго БПР 36 поступит разность:

При этом с выхода блока 12 на первый вход второго БС 15 поступят элементарные импульсы с энергией

, а с выхода блока 15 на первый вход второго БВ 39 поступит корреляционная функция полезного сигнала во втором сигнальном канале

С выхода десятого БП 27 на первый вход четвертого БС 29 поступят элементарные импульсы с энергией

с выхода которого на второй вход второго БВ 39 поступит корреляционная функция полезного сигнала во втором опорном канале:

Следовательно, с выхода второго БВ 39 на вход второго БВК 34, а также вторые входы схемы ОС 40 и второго БПР 36 поступит разность:

Соотношения (14)-(21) показывают, что при передаче u_n=1 прием информационного импульса ν_n=±1 осуществляется первым сигнальным каналом, а при передаче u_n=-1 - вторым сигнальным каналом. Таким образом, реализуется одновременная передача информации от двух различных источников. Признаком передачи единицы первой информационной последовательности служит факт приема сигнала в первом сигнальном канале, нуля - во втором сигнальном канале. Признаком приема единицы или нуля второй информационной последовательности служит полярность принятых импульсов ν_n: если sign(ν_n)=1, то принят нуль, если sign(ν_n)=-1, то принята единица.

Здесь

С выходов блоков 16 и 39 разности (16) и (21) поступают соответственно на первый и второй входы второго БПР 36, а через соответствующие блоки 33 и 34 - соответственно на первый и второй входы первого БПР 32. В первом БПР 32 происходит стандартная операция сравнения квадратов разностей (16) и (21), определяется, в каком сигнальном канале принят сигнал и принимается решение о том, какой символ был передан из первой информационной последовательности:

С выхода первого БПР 32 информационный символ в виде логической единицы или логического нуля поступает на первый выход устройства.

Во втором БПР 36 происходит стандартная операция определения полярности поступившей разности корреляционных функций и выносится решение о том, какой из символов второй информационной последовательности принят - единица или нуль:

где i=1, 2.

Далее принятый символ второй информационной последовательности с выхода второго БПР 36 поступает на второй выход устройства.

С выходов блоков 16 и 39 через схему ОС 40 на вход БСН 30 поступают разности корреляционных функций соответствующих сигнальных и опорных каналов. В БСН 30, который содержит перестраиваемый генератор тактовых импульсов, в моменты прихода пиков разностей корреляционных функций формируются временные (следящие) стробы. При наличии рассогласования во времени положения следящих стробов и тактовых импульсов перестраиваемого генератора тактовых импульсов больше допустимого, величина которого определяется погрешностью аппаратуры, управляющее напряжение так изменяет задержку тактовых импульсов, что их временное положение будет совмещаться с временным положением следящих стробов. Следовательно, в БСН 30 будет осуществляться автоматическое совмещение временного положения импульсов перестраиваемого генератора тактовых импульсов и временного положения пиков разностей корреляционных функций. Таким образом, сформированные в БСН 30 синхроимпульсы обеспечивают согласованную во времени работу блоков 9, 23, 24 и 13, корректируют момент взятия отсчетов в блоках 14, 15, 28, 29 и момент принятия решения в блоках 32 и 36, то есть обеспечивают необходимую для реализации правильного приема информации синхронную работу блоков приемной части устройства.

В случае поступления на ПрА₁ 17 и ПрА₂ 18 полезного сигнала, несущего символ u_m=1, и сигналоподобной помехи, которая отличается от полезного сигнала только случайным набором элементных векторов поляризации

и случайным набором начальных фаз элементарных радиоимпульсов φ_m,п, с выхода блока 14 на первый вход второго БВ 16 поступает сумма корреляционных функций полезного сигнала и сигналоподобной помехи в первом сигнальном канале:

где

- квадрат модуля коэффициента корреляции по поляризации элементарных импульсов помехи и опорного сигнала сигнального канала;

ν_n,п=±1 - помеховый символ;

ν_m,п - элементарные импульсы помехи.

Одновременно с выхода блока 28 на второй вход первого БВ 16 поступает сумма корреляционных функций полезного сигнала и сигналоподобной помехи в первом опорном канале

Таким образом, при отсутствии искажений поляризационного состояния элементарных импульсов полезного сигнала и помехи на выходе первого БВ 16 будет разность:

Одновременно с выхода блока 15 на первый вход второго БВ 39 поступает сумма корреляционных функций полезного сигнала и сигналоподобной помехи во втором сигнальном канале:

а с выхода блока 29 на второй вход второго БВ 39 поступает сумма корреляционных функций полезного сигнала и сигналоподобной помехи во втором опорном канале:

Следовательно, на выходе второго БВ 39 будет разность:

Как видно из (26) и (29), величина помеховой составляющей на выходах блоков 16 и 39 определяется базой полезного сигнала, соотношением амплитуд полезного сигнала и помехи, степенью отличия коэффициентов корреляции по поляризации элементарных импульсов опорного сигнала и помехи в соответствующих сигнальном и опорном каналах, а также распределением положительных и отрицательных элементарных импульсов помехи. Учитывая, что у помехи элементные вектора поляризации

и полярности элементарных импульсов v_m,п распределены случайно, с большой вероятностью можно ожидать, что суммы

по величине будут очень малы, и помеховая составляющая будет эффективно режектирована в первом сигнальном канале и будет ничтожно мала во втором сигнальном канале.

Далее работа предлагаемой системы радиосвязи будет подобна ее работе без воздействия помехи, и на первый и второй выходы устройства поступят соответствующие символы (22) и (23).

В случае поступления на вход приемной части полезного сигнала, несущего символ u_m=-1, и сигналоподобной помехи основным сигнальным каналом, в котором будет осуществляться прием символов первой и второй информационных последовательностей, будет не первый, а второй. Во всем остальном работа предлагаемой системы радиосвязи ничем не будет отличаться от ее работы в предыдущем случае.

В случае отсутствия помех, но при искажении средой распространения поляризационных состояний элементарных радиоимпульсов полезного сигнала при передаче символа u_m=1 в первом сигнальном канале на выходе блока 14 корреляционная функция полезного сигнала уменьшается:

а в соответствующем опорном канале на выходе блока 28 корреляционная функция имеет вид

Так как

, то с выхода блока 16 на соответствующие входы блоков 33, 40 и 36 поступит разность:

При передаче символа u_m=-1 во втором сигнальном канале на выходе блока 15 корреляционная функция полезного сигнала уменьшается:

а в соответствующем опорном канале на выходе блока 29 корреляционная функция имеет вид:

В этом случае на выходе блока 39 будет разность:

Далее работа предлагаемой системы радиосвязи будет подобна ее работе без воздействия помехи, и на первый и второй выходы устройства поступят соответствующие символы (22) и (23).

Для симметричных и квазистационарных поляризационно-ортогональных каналов, как и в ранее приведенном примере, положим, что передается

тогда:

Как видно, в предлагаемой системе радиосвязи пятнадцатипроцентное различие в поляризационном состоянии элементарных импульсов полезного и опорного сигналов приводит примерно к 27% энергетических потерь за счет «перекачки» энергии элементарных радиоимпульсов полезного сигнала с основной поляризации на ортогональную поляризацию. Обработка сигнала не вносит дополнительных потерь.

Передающая и приемная антенны основной поляризации ПдА₁ 5 и ПрА₁ 17 могут быть выполнены как антенны с горизонтальной линейной поляризацией (или левой круговой поляризацией), а антенны ортогональной поляризации ПдА₂ 6 и ПрА₂ 18 могут быть выполнены как антенны с вертикальной линейной поляризацией (или с правой круговой поляризацией).

Функциональная схема первого блока принятия решения 32 приведена на фиг.3, где введены следующие обозначения:

32.1 - блок вычитания;

32.2 - компаратор;

32.3 - блок сравнения;

32.4 - блок хранения единицы.

Первый блок принятия решения 32 содержит последовательно соединенные блок вычитания 32.1, компаратор 32.2 и блок сравнения 32.3, выход которого является выходом первого блока принятия решения 32, третий вход соединен с выходом блока хранения единицы 32.4, а второй вход блока сравнения, соединенный со вторым входом компаратора, является синхронизирующим входом первого блока принятия решения 32, первым и вторым входами которого являются соответственно первый и второй входы блока вычитания 32.1.

Блок 32 работает следующим образом.

С блоков 33 и 34 на соответствующие входы блока 32.1 поступают разности (16), (17) или (18), (21). При этом разность

с выхода блока 32.1 поступает на вход блока 32.2 с нулевым порогом, с выхода которого на первый вход блока 32.3 поступают импульсы единичной амплитуды, полярность которых определяется тем, в каком из сигнальных каналов принят полезный сигнал. Одновременно на второй вход блока 32.3 с выхода блока 32.4 поступает импульс единичной амплитуды и положительной полярности. При этом, если

, то с выхода блока 32.3, который является первым выходом устройства, поступит логический нуль. Это значит, что принят информационный нуль из первой информационной последовательности. Если

, то с выхода блока 32.3 поступит логическая единица. Это значит, что принята информационная единица из первой информационной последовательности. На вторые входы блоков 32.2 и 32.3 с выхода БСН 30 поступают синхронизирующие импульсы, регулирующие моменты начала и окончания регистрации превышения нулевого порога в блоке 32.2 и момент сравнения в блоке 32.3.

Функциональная схема второго блока принятия решения 36 приведена на фиг.4, где введены следующие обозначения:

36.1 - компаратор;

36.2 - блок сравнения;

36.3 - инвертор;

36.4 - блок хранения единицы;

36.5 - схема объединения сигналов.

Второй блок принятия решения 36 содержит последовательно соединенные схему объединения сигналов 36.5, компаратор 36.1, блок сравнения 36.2 и инвертор 36.3, выход которого является вторым выходом устройства, причем синхронизирующим входом второго блока принятия решения 36 является второй вход компаратора 36.1, соединенный со вторым входом блока сравнения 36.2, третий вход которого соединен с выходом блока хранения единицы 36.4, а первый вход компаратора 36.1 через схему объединения сигналов 36.5 соединен с первым и вторым входами второго блока принятия решения 36.

Блок 36 работает следующим образом. На первый и второй входы схемы объединения сигналов 36.5 с выходов блоков 16 и 39 поступают разности (16), (17) или (18), (21). С выхода схемы объединения сигналов 36.5 эти разности поступают на вход блока 36.1 с нулевым порогом, с выхода которого на первый вход блока 36.2 поступают импульсы единичной амплитуды, полярность которых определяется полярностью разностей ΔE_ins>0, i=1, 2. Одновременно на второй вход блока 36.2 с выхода блока 36.4 поступает импульс единичной амплитуды и положительной полярности. При этом, если ΔE_ins>0, то с выхода блока 36.2 на вход инвертора 36.3 поступит логический нуль. Это значит, что принят информационный нуль из второй информационной последовательности. Если же ΔE_ins<0, то с выхода блока 36.2 на второй выход устройства поступит логическая единица. Это значит, что принята информационная единица из второй информационной последовательности. На вторые входы блоков 36.1 и 36.2 с выхода БСН 30 поступают синхронизирующие импульсы, регулирующие моменты начала и окончания регистрации превышения нулевого порога в блоке 36.1 и момент сравнения в блоке 36.2.

Реализация других блоков и антенн предлагаемой системы радиосвязи не представляет затруднений, так как схемные решения блоков общеизвестны.

Реализация блоков формирования кода ПСП аналогична блокам устройства-прототипа. Структурная схема и описание работы формирователей кода ПСП приведена, например, в [Л.Е.Варакин. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985, стр.47, рис.3.11].

Структурная схема и описание работы блока синхронизации приведены, например, в [В.И.Журавлев. Поиск и синхронизация в широкополосных системах. М.: Радио и связь, 1986, стр.194, 195, рис.5.38].

Схемы генераторов тактовых импульсов также широко известны из авторских свидетельств и патентов, например, в [RU 2268549 C1, H04L 7/02, Н04В 1/10, 2006 г.]. ГТИ 31 может быть выполнен на основе различных типов генераторов, например на основе кварцевого генератора (Мэндл М. 200 избранных схем электроники. М.: Мир, 1980 г., стр.86-87, рис.4.5), либо на основе блокинг-генератора (там же, стр.94-96, рис.4.9).

Варианты схемотехнической реализации и работа генератора меандра 24 приведены в [Б.И.Горшков. Радиоэлектронные устройства. М.: Радио и связь, 1985, стр.252, рис.10.24, 10.26]. Здесь же на стр.336-338, рис.15.17-15.21 даны варианты реализации блоков 33, 34.

Блоки хранения единицы 32.4 и 36.4 могут быть выполнены так, как описаны в [О.Н.Лебедев. Применение микросхем памяти в электронных устройствах. М.: Радио и связь, 1994, стр.105-114, 115-138 или на стр.98-104].

Компараторы 32.3 и 36.1 могут быть реализованы по одной из схем, приведенных в [У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир, 1982, стр.286-288, рис.17.22, 17.23].

Реализация блоков 40 и 36.5 возможна на базе схемы объединения сигналов, приведенной в [М.Мэндл. 200 избранных схем электроники. / Пер, с англ. под ред. д.т.н. Я.С Ицхоки. М., Мир, 1980, стр.144-145, рис.6.12] с описанием ее работы. При этом необходимо использовать лишь верхнюю часть (половину) схемы для объединения двух сигналов.

В заявляемой системе радиосвязи с множественным доступом одновременно передается цифровая информация от двух различных источников за счет полного использования избыточности, связанной с разделением элементарных радиоимпульсов полезного сигнала по поляризационным состояниям. Кроме того, принятые на каждой из поляризаций элементарные видеоимпульсы разнополярны, поэтому при корреляционной обработке сигналов в приемных устройствах узкополосных систем передачи информации, работающих на фиксированных поляризациях, они взаимно компенсируются, тем самым внося минимальные искажения в полезную информацию. При наличии искажений поляризационной структуры элементарных радиоимпульсов полезного сигнала, которые вносятся средой распространения, обработка его на приемной стороне не приводит к дополнительному подавлению. Кроме того, по сравнению с прототипом, в предлагаемой системе радиосвязи возможное количество абонентов увеличивается за счет кодового разделения, определяемого второй ПСП.

Таким образом, введение дополнительных блоков в предлагаемую систему радиосвязи обеспечивает достижение технического результата - увеличение эффективности использования радиочастотного спектра, уменьшение влияния внутрисистемных помех в системах с множественным доступом, улучшение электромагнитной совместимости с узкополосными средствами передачи информации и снижение степени воздействия кроссполяризованных помех.

Claims (1)

1. Система радиосвязи с множественным доступом, содержащая передающую и приемную части, в передающей части содержащая первый генератор, управляемый напряжением, последовательно соединенные первый блок выработки кода псевдослучайной последовательности (ПСП), первый блок перемножения и первый блок переключения поляризационных состояний, первый и второй выходы которого подключены соответственно к передающим антеннам основной и ортогональной поляризации, причем первый вход первого блока перемножения является первым информационным входом устройства; в приемной части содержащая второй генератор, управляемый напряжением, последовательно соединенные приемную антенну основной поляризации, первый поляризационный фильтр, второй блок переключения поляризационных состояний, второй блок перемножения, первый блок суммирования и первый блок вычитания; последовательно соединенные приемную антенну ортогональной поляризации, второй поляризационный фильтр, третий блок переключения поляризационных состояний, третий блок перемножения и второй блок суммирования; последовательно соединенные второй блок выработки кода ПСП и инвертор, выход которого соединен с третьим входом третьего блока переключения поляризационных состояний, а первый выход второго блока выработки кода ПСП соединен с третьим входом второго блока переключения поляризационных состояний; кроме того, выход первого поляризационного фильтра соединен со вторым входом третьего блока переключения поляризационных состояний, а выход второго поляризационного фильтра соединен со вторым входом второго блока переключения поляризационных состояний, отличающаяся тем, что в передающую часть введены: генератор тактовых импульсов и последовательно соединенные третий блок выработки кода ПСП, четвертый и пятый блоки перемножения, при этом первый вход пятого блока перемножения соединен с выходом первого генератора, управляемого напряжением, а выход - с первым входом первого блока переключения поляризационных состояний, выход генератора тактовых импульсов соединен с синхронизирующими входами первого и третьего блоков выработки кода ПСП, первый вход четвертого блока перемножения является вторым информационным входом устройства; в приемную часть введены: последовательно соединенные девятый блок перемножения и третий блок суммирования; последовательно соединенные десятый блок перемножения и четвертый блок суммирования; последовательно соединенные четвертый блок выработки кода ПСП и шестой блок перемножения, первый и второй выходы которого соединены со вторыми входами соответственно второго блока перемножения и третьего блока перемножения, последовательно соединенные генератор меандра, восьмой и седьмой блоки перемножения, первый и второй выходы которого соединены со вторыми входами соответственно девятого блока перемножения и десятого блока перемножения, последовательно соединенные схема объединения сигналов и блок синхронизации; последовательно соединенные первый блок возведения в квадрат и первый блок принятия решения, выход которого является первым выходом устройства; а также второй блок вычитания, второй блок возведения в квадрат и второй блок принятия решения, выход которого является вторым выходом устройства, при этом первый и второй выходы второго генератора, управляемого напряжением, соединены соответственно со вторыми входами шестого и седьмого блоков перемножения, выход второго блока переключения поляризационных состояний соединен со входом девятого блока перемножения, выход третьего блока переключения поляризационных состояний соединен со входом десятого блока перемножения, выход третьего блока суммирования соединен со вторым входом первого блока вычитания, выход которого соединен со входом первого блока возведения в квадрат, а также с первыми входами схемы объединения сигналов и второго блока принятия решения, выход четвертого блока суммирования соединен со вторым входом второго блока вычитания, выход которого соединен со входом второго блока возведения в квадрат и вторыми входами схемы объединения сигналов и второго блока принятия решения; выход блока синхронизации соединен с синхронизирующими входами первого, второго, третьего и четвертого блоков суммирования, второго и четвертого блоков выработки кода ПСП, первого и второго блоков принятия решения, а также генератора меандра и второго генератора, управляемого напряжением.

Images