RU2548173C2 - Цифровой модем командной радиолинии цм крл - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области приемо-передающих устройств и может быть использовано в командных радиолиниях для передачи командной информации с базовой станции на борт (и в обратном направлении). В цифровом модеме командной радиолинии во время передачи сигнал с выхода модулятора подвергается расширению спектра путем перемножения с помощью первого перемножителя низкоскоростного информационного сигнала, поступающего с выхода модулятора, с псевдослучайной последовательностью (ПСП) биполярных импульсов, которая подается с генератора ПСП. Во время приема отсчеты комплексной огибающей принимаемого сигнала от модулей АЦП с частотой поступают на цифровой даунконвертор (DDC), который обеспечивает фильтрацию в рабочей полосе частот и перемножает сигнал с опорным колебанием от цифрового синтезатора (DDS) с целью компенсации доплеровского смещения. Далее сигнал поступают на устройство поиска ШПС по задержке и частоте, которое обеспечивает обнаружение ШПС. Как только ШПС обнаружен, устройство поиска ШПС по задержке и частоте перезапускает средство слежения за задержкой ШПС таким образом, чтобы обеспечить начальную синхронизацию опорной ПСП с ПСП принимаемого ШПС. Система слежения за задержкой тактирует генератор ПСП, обеспечивая поддержание тактовой синхронизации опорной ПСП и ПСП принимаемого ШПС (сопровождение ШПС по задержке). Опорная ПСП перемножается перемножителем с комплексной огибающей принимаемого ШПС и подается на когерентный демодулятор. Когерентный демодулятор обеспечивает устранение остаточной отстройки по частоте и фазе принимаемого сигнала и локального генератора опорного колебания, накопление сигнала на длительности ШПС и принятие мягкого решения о передаваемом бите. Принятые мягкие решения далее подаются на декодер помехоустойчивого кода. Декодированные данные через переключатель подаются на выход цифрового модема. Если режим кодирования отключен, то данные с выхода демодулятора сразу подаются на выход цифрового модема. Технический результат заключается в обеспечении возможности сохранения работоспособности и основных характеристик при наличии доплеровского смещения частоты сигнала в каналах и нестабильностях частоты опорных генераторов. 7 ил., 2 табл.

Description

Изобретение относится к области приемо-передающих устройств радиосвязи и предназначено для применения в командных радиолиниях для передачи командной информации с базовой станции на борт (и в обратном направлении).

Известно широкополосное приемо-передающее устройство, содержащее на передающей стороне: кодер, блок синхронизации, генератор псевдослучайной последовательности (ГПСП), блок управления, синтезатор частот, модулятор, усилитель мощности, передающую антенну, преобразователь псевдослучайной последовательности, а на приемной стороне: приемную антенну, входной усилитель, смеситель-гетеродин, детектор, блок АРУ, решающее устройство, декодер, блок синхронизации, ГПСП, блок управления, преобразователь псевдослучайной последовательности (патент РФ №2185029, Н04В 15/00, опубликован: 10.07.2002). Недостатком данного аналога является низкая пропускная способность.

Известно широкополосное приемо-передающее устройство (патент РФ №2157051, МПК 7 Η 04 7/00, 2000 г.), осуществляющее передачу блоков сообщения по двум информационным каналам за счет фазовой манипуляции несущей частотно-манипулированного сигнала основного информационного канала. Данное устройство в передающей части содержит первый и второй фазовые манипуляторы, их выходы соединены с первым и вторым входами сумматора через первый и второй высокочастотные ключи соответственно, вход первого информационного канала соединен со вторым входом первого высокочастотного ключа и через элемент НЕ со вторым входом второго высокочастотного ключа, выход сумматора соединен с первым входом смесителя, второй вход которого подключен к выходу частотного синтезатора, вход которого соединен с выходом ГПСП, а выход смесителя соединен с передающей антенной. Приемная часть устройства содержит: усилитель УПЧ, выход которого соединен с входом демодулятора, первый выход которого является информационным выходом первого канала приемной части устройства и одновременно подключен ко второму входу смесителя через последовательно соединенные блоки синхронизации, генератора псевдослучайной последовательности (ГПСП) и частотного синтезатора.

Данное радиосредство позволяет вести передачу и прием сообщений в условиях непреднамеренных помех с заданным качеством.

Недостатком этого устройства является относительно низкая помехоустойчивость к преднамеренным ответным помехам, которая обусловлена отсутствием возможности контроля качества рабочих каналов.

Известно широкополосное приемо-передающее устройство, включающее в себя передающую и приемную части, в которых содержатся перемножители, модуляторы, демодуляторы, кодер, декодер, генератор тактовых импульсов, фильтры нижних частот, генератор псевдослучайной последовательности (Патент РФ 229642, Н04В 7/00, опубл. 27.03.2007). По сравнению с предыдущим решением данное техническое решение имеет более высокую помехозащищенность широкополосного устройства от преднамеренных ответных помех и увеличенную пропускную способность радиоканала.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в дальнейшем повышении надежности приема и передачи сигналов.

При этом достигается технический результат, заключающийся в обеспечении возможности сохранения работоспособности и основных характеристик при наличии доплеровского смещения частоты сигнала в каналах и нестабильностях частоты опорных генераторов.

Технический результат достигается за счет того, что разработан цифровой модем командной радиолинии, предназначенный для обмена командной информацией между базовой станцией и бортом, включающий в себя передающую и приемную части, в которых содержатся перемножители, модуляторы, демодуляторы, кодер, декодер, генератор тактовых импульсов, фильтры нижних частот, генератор псевдослучайной последовательности, передающая часть модема содержит подключаемый к источнику данных буфер данных для передачи, одним выходом подключенный к входу кодера, а другим - к первому входу первого переключателя режимов работы, второй вход которого подключен к выходу помехоустойчивого кодера, третий - к выходу генератора синхро-преамбулы в виде короткой псевдослучайной последовательности (ПСП), четвертый вход - вход управления - связан со средством задания режима работы, а выход подключен к входу модулятора, первому входу первого перемножителя, второй вход которого подключен к выходу генератора псевдослучайной последовательности (ПСП), выход которого связан с входом фильтра нижних частот, выходом подключаемого к входу цифроаналогового преобразователя,

приемная часть модема содержит цифровой даунконвертор (DDC), предназначенный для приема отсчетов комплексной огибающей от аналого-цифрового преобразователя, выходы которого связаны с входами устройства поиска широкополосного сигнала (ШПС) по частоте и задержке и первыми входами второго - комплексного - перемножителя, вторые входы которого подключены к выходам устройства фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), а выходы подключены к первым входам третьего - комплексного - перемножителя и первым входам средства слежения за задержкой, второй вход которого соединен с выходом генератора псевдослучайной последовательности (ПСП), а первый выход подключен к второму входу третьего - комплексного - перемножителя, выходы которого через интеграторы связаны с входами устройств выборки-хранения, выходы которых подключены к входам устройства фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), при этом выход одного из устройств выборки-хранения соединен с входом демодулятора, выход которого подключен к средству поиска и устранения синхро-преамбулы, выход которого подключен к первому входу второго переключателя режимов работы через декодер и ко второму его входу непосредственно, третий вход второго переключателя режимов работы - вход управления - связан со средством задания режима работы, а выход подключен к входу выходного буфера, причем первый выход устройства поиска широкополосного сигнала (ШПС) подключен к входу управления цифровым синтезатором, формирующим опорный сигнал даунконвертера, второй выход предназначен для подключения к средствам автоматической регулировки усиления (АРУ), третий выход предназначен для выдачи флага захвата ШПС, а четвертый выход устройства поиска широкополосного сигнала (ШПС), на котором формируется строб перезапуска, подключен к первому входу генератора псевдослучайной последовательности (ПСП), первому входу модуля счета символов ПСП и первому входу генератора тактовых импульсов (ГТИ), второй вход которого соединен со вторым выходом средства слежения за задержкой, один из выходов подключен ко второму входу генератора псевдослучайной последовательности (ПСП), а другой выход - ко второму входу модуля счета символов ПСП, выходом подключенного к входам сброса интеграторов, устройств выборки-хранения, устройства фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), демодулятора, средства поиска и устранения синхро-преамбулы, декодера и выходного буфера,

устройство поиска широкополосного сигнала (ШПС) содержит блок быстрого преобразования Фурье (БПФ), первый выход которого подключен к блоку нормировки спектра, выходом через первую настраиваемую линию задержки связан с первым входом четвертого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом второй настраиваемой линии задержки, входом подключенной к выходу постоянного запоминающего устройства, выход четвертого перемножителя подключен к входу блока обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ), первые выходы которого подключены к входам некогерентного накопителя, выходом подключенного к входу обнаружителя широкополосного сигнала (ШПС), причем второй выход блока быстрого преобразования Фурье (БПФ) и второй выход блока обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ) подключены к входам модуля формирования команд для автоматической регулировки усиления, при этом входами блока быстрого преобразования Фурье (БПФ) образован вход устройства поиска широкополосного сигнала (ШПС), первым, вторым и третьим выходами обнаружителя широкополосного сигнала (ШПС) образованы первый, третий и четвертый выходы устройства поиска широкополосного сигнала (ШПС), а выходом модуля формирования команд для автоматической регулировки усиления образован второй выход устройства поиска широкополосного сигнала (ШПС),

средство слежения за задержкой включает в себя первую, вторую и третью линии задержки, причем задержка, обеспечиваемая третьей линией превышает задержку, обеспечиваемую второй линией, которая превышает задержку, обеспечиваемую первой линией, выходы первой и третьей линий задержки связаны с первыми входами пятого и шестого перемножителей, выходы которых подключены к входам узкополосных фильтров нижних частот, каждый из которых выходом подключен к соответствующему средству возведения в квадрат модуля сигнала, выходы средств формирования квадрата модуля сигнала связаны с входами блока вычитания, выходом подключенного к входу петлевого фильтра, при этом вторыми входами пятого и шестого перемножителей образованы первые входы средства слежения за задержкой, объединенными входами линий задержки образован второй вход указанного средства, а выходом второй линии задержки и выходом петлевого фильтра образованы соответственно первый и второй выход средства слежения за задержкой. Структурные схемы передающей и приемной частей цифрового модема изображены соответственно на рисунке 1 и рисунке 2. Функциональная схема передающей части модема КРЛ изображена на рисунке 3. Функциональная схема приемной части модема КРЛ изображена на рисунке 4. Функциональная схема устройства поиска ШПС по задержке и частоте изображена на рисунке 5. Функциональная схема системы слежения за задержкой изображена на рисунке 6. Функциональная схема ФАПЧ изображена на рисунке 7. Функциональная схема турбодекодера изображена на рисунке 8. На рисунке 9 показана структурная схема сверточного турбодекодера.

Во время передачи (рисунок 1) в зависимости от режима работы данные от источника данных либо подаются на помехоустойчивый кодер 1 и далее через переключатель режимов работы 2 на модулятор 3, либо непосредственно на модулятор 3. Сигнал с выхода модулятора 3 подвергается расширению спектра, путем перемножения с помощью первого перемножителя 4 низкоскоростного информационного сигнала, поступающего с выхода модулятора 3, с псевдослучайной последовательностью (ПСП) биполярных импульсов, которая подается с генератора ПСП 5 со скоростью 10 МГц. Отсчеты сформированного широкополосного сигнала поступают на ФНЧ 6 с АЧХ типа корень квадратный из приподнятого косинуса и далее на ЦАП.

Во время приема (рисунок 2) отсчеты комплексной огибающей принимаемого сигнала от модулей АЦП поступают на цифровой даунконвертор (DDC) 7, который обеспечивает фильтрацию в рабочей полосе частот (7.5 МГц) и перемножает сигнал с опорным колебанием от цифрового синтезатора (DDS) с целью компенсации доплеровского смещения. Далее сигнал поступает на устройство 8 поиска ШПС по задержке и частоте, которое обеспечивает обнаружение ШПС. Как только ШПС обнаружен, устройство поиска ШПС по задержке и частоте взводит флаг захвата ШПС и перезапускает средство 9 слежения за задержкой ШПС таким образом, чтобы обеспечить начальную синхронизацию опорной ПСП с ПСП принимаемого ШПС. Система слежения за задержкой тактирует генератор ПСП $$\underset{\_}{10.1}$$

, обеспечивая поддержание тактовой синхронизации опорной ПСП и ПСП принимаемого ШПС (сопровождение ШПС по задержке). Опорная ПСП перемножается перемножителе 11 с комплексной огибающей принимаемого ШПС и подается на когерентный демодулятор 12. Когерентный демодулятор 12 обеспечивает устранение остаточной отстройки по частоте и фазе принимаемого сигнала и локального генератора опорного колебания (борьба с эффектом доплера), накопление сигнала на длительности ШПС и принятие мягкого решения о передаваемом бите. Принятые мягкие решения далее подаются на декодер 13 помехоустойчивого кода. Декодированные данные переключатель 14 подаются на выход цифрового модема. Если режим кодирования отключен, то данные с выхода демодулятора 12 сразу подаются на выход цифрового модема.

Для противодействия эффекту доплера в системе фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) когерентного демодулятора предлагается использовать астатическое звено второго порядка в качестве петлевого фильтра.

Рассмотрим функциональную схему передающей части (рис. 3). Данные для передачи поступают в буфер 15 по шине SPL. В зависимости от режима работы данные либо подаются на помехоустойчивый кодер 1 со скоростью от 0.8 кбит/с до 51.2 кбит/с и далее через переключатель режимов (2) на модулятор 3, либо со скоростью от 1.2 кбит/с до 153.6 кбит/с непосредственно на модулятор 3. Для установления синхронизации и устранения неопределенности по фазе на приемной стороне предполагается передача синхро-преамбулы в виде короткой ПСП, которая формируется генератором 16 и периодически передается между блоками данных. Сигнал с выхода модулятора 3 подвергается расширению спектра, путем перемножения низкоскоростного информационного сигнала, поступающего с выхода модулятора, с псевдослучайной последовательностью (ПСП) биполярных импульсов (от 64 до 8192 импульса), которая подается с генератора ПСП со скоростью 10 МГц.

Отсчеты сформированного широкополосного сигнала поступают со скоростью 10 МГц на ФНЧ с АЧХ типа корень квадратный из приподнятого косинуса, где сигнал подвергается восьмикратной интерполяции и фильтрации. Отсчеты широкополосного сигнала с выхода ФНЧ с частотой 80 МГц поступают на вход ЦАП.

Рассмотрим функциональную схему приемной части (рис.4). Отсчеты комплексной огибающей от модулей АЦП с частотой 80 МГц поступают на цифровой даунконвертор 17 (DDC), который понижает тактовую частоту следования отсчетов до 20 МГц, обеспечивает фильтрацию в рабочей полосе частот (7.5 МГц) и перемножает сигнал с опорным колебанием от цифрового синтезатора (DDS) с целью компенсации доплеровского смещения. Старшие 12 разрядов данных комплексной огибающей поступают на устройство поиска ШПС 8 по задержке и частоте. Во время последовательного поиска ШПС по частоте, устройство поиска ШПС по задержке и частоте перестраивает синтезатор даунконвертора DDC 17 по заданному закону. Как только ШПС обнаружен, устройство поиска ШПС 8 по задержке и частоте взводит флаг захвата ШПС и перезапускает средство слежения за задержкой ШПС 9 таким образом, чтобы обеспечить начальную синхронизацию опорной ПСП с ПСП принимаемого ШПС. Указанный перезапуск осуществляется подачей строба перезапуска средства слежения на элементы приемной части ЦМ КРЛ (см. рисунок 4). Полноразрядные данные (16 бит) с выхода DDC поступают на комплексный умножитель для перемножения с сигналом опорной частоты, формируемым ФАПЧ 18, с целью устранения остаточной частотной и фазовой отстройки для дальнейшей когерентной демодуляции. Сигнал с выхода комплексного перемножителя $$\underset{\_}{19}$$

поступает на вход средства слежения за задержкой 9, которое обеспечивает подстройку частоты генератора тактовых импульсов (ГТИ) $$\underset{\_}{10.2}$$

, тактирующего генератор ПСП $$\underset{\_}{10.1}$$

и управляемого входным напряжением. Частота тактовых импульсов ГТИ 20 при нулевом входном сигнале ошибки составляет F_psp=10 МГц.

С выхода средства слежения за задержкой ШПС 9 снимается опорная ПСП, синхронная с ПСП принимаемого ШПС. Указанная опорная ПСП вместе с принимаемым ШПС подаются на вход комплексного перемножителя 20 с целью снятия модуляции ПСП ШПС.

Квадратуры с выхода комплексного умножителя 20 поступают на интеграторы 21 и 22 со сбросом и устройства выборки-хранения (УВХ) 23 и 24. Сброс интеграторов 21 и 22 и захват значения устройствами УВХ 23 и 24 проводится по стробу окончания ШПС (СОШПС), который генерируется модулем счета символов ПСП 25. Таким образом, обеспечивается интегрирование квадратур сигнала со снятой модуляцией ПСП и устраненными частотным и фазовым сдвигами на длине одной ПСП. Результат интегрирования запоминается в УВХ.

Значение, полученное в результате интегрирования синфазной составляющей, подается далее на демодулятор 12. В демодулированных данных производится поиск и устранение синхро-преамбул предназначенным для этого устройством 26, после чего данные через переключатель 14 записываются сразу в выходной буфер 27 или подаются на декодер помехоустойчивого кода, а затем в выходной буфер.

Функциональная схема устройства поиска ШПС по задержке и частоте изображена на рисунке 5. На рисунке также изображены элементы DDC - синтезатор и комплексный умножитель 29, который необходим для перемножения входного сигнала и опорного колебания синтезатора.

Комплексная огибающая (16 бит на квадратуру) принимаемого сигнала перемножается с опорным колебанием синтезатора DDC, после чего старшие 12 бит в каждой из квадратур подаются на блок быстрого преобразования Фурье (БПФ) (28?) для организации согласованной фильтрации.

Набор блоков, в составе блока преобразования Фурье БПФ 28, комплексного перемножителя 32 и блока обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ) 35 составляют согласованный фильтр (СФ) приемной части модема КРЛ.

Полученный спектр на выходе БПФ подвергается нормировке в блоке нормировки спектра 30, во время которой также происходит режекция спектральных компонент, превышающих определенный порог. Обработанный спектр через настраиваемую линию задержки (ЛЗ) 31 подается на комплексный перемножитель 32 для перемножения с комплексно-сопряженным спектром опорной ПСП, который подается из ПЗУ также через ЛЗ 34. Упомянутые линии задержки 31 и 34 необходимы для частотного сдвига комплексной огибающей и опорной ПСП друг относительно друга при проведении последовательного поиска по частоте во время согласованной фильтрации. Результат перемножения двух спектров подается на блок обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ) 35, на выходе которого снимается взаимно корреляционная функция (ВКФ) комплексной огибающей принимаемого сигнала и опорной ПСП. Некогерентный накопитель 36 обеспечивает накопление модуля ВКФ на интервале обнаружения ШПС с заданной частотной отстройкой, которая определяется частотой синтезатора DDC и длинами настраиваемых линий задержек перед комплексным перемножителем 32.

Обнаружитель 37 в случае не обнаружения ШПС на заданном интервале времени при заданной частотной отстройке обеспечивает переключение синтезатор DDC на другую частоту или настройку длин линий задержек.

Для противодействия влиянию доплеровского смещения проводится поиск ШПС по частоте в ожидаемом диапазоне доплеровского смещения - от -7.5 до 7.5 кГц. Время обнаружения сигнала в режиме последовательного поиска по частоте - не более 0.5 с.

При использовании различных ПСП (для организации различных скоростных режимов), необходимо хранить комплексно-сопряженные спектры комплексных огибающих всех используемых ШПС. В таблице 1 приведены параметры согласованного фильтра (СФ) для различных режимов КРЛ.

Формирование команд управления для АРУ осуществляется соответствующим модулем при обнаружении переполнения ОБПФ или существенного автоматического масштабирования входного сигнала при выполнении БПФ. Соответствующие сигналы подаются с модулей БПФ и ОБПФ.

Функциональная схема средства слежения за задержкой изображена на рисунке 6.

Задачей средства слежения за задержкой является слежение за символьной синхронизацией принимаемого ШПС сигнала и опорной ПСП.

Средство слежения за задержкой состоит из: линий задержек 38-40, перемножителей 41 и 42, узкополосных ФНЧ 43 и 44, средств возведения в квадрат 45 и 46, вычитателя 47 и петлевого фильтра 48. ГТИ 10.2 тактирует генератор символов опорной ПСП. Символы опорной ПСП подаются на систему из 3-х линий задержек таким образом, чтобы они имели взаимные задержки, варьирующиеся в пределах двух символов ПСП. При этом в одной ветке опорная ПСП (поздняя ПСП) задерживается относительно опорной ПСП (центральная ПСП) во второй ветке на полсимвола ПСП и на 1 символ ПСП относительно опорной ПСП (ранняя ПСП) в третьей ветке.

Поздняя и ранняя опорные ПСП используются для подстройки частоты ГТИ. Поздняя и ранняя опорные ПСП перемножаются с поступающей комплексной огибающей сигнала на соответствующих комплексных перемножителях 41 и 42. Полученные сигналы фильтруются фильтрами ФНЧ 43 и 44 в узкой информационной полосе частот, поступают на средства возведения в квадрат 45 и 46 затем квадраты их модулей, вычитаются вычитателем 47. Результат вычитания поступает на петлевой фильтр 48. Сигнал ошибки с выхода петлевого фильтра управляет тактовой частотой ГТИ 10.2.

В случае поступления строба перезапуска системы слежения, регистр сдвига генератора опорной ПСП 10.1 инициализируется предустановленным начальным значением, а внутренний счетчик ГТИ 10.2 сбрасывается.

Описанное средство слежения за задержкой обеспечивает тактовую синхронность центральной опорной ПСП и принимаемого ШПС. Центральная опорная ПСП подается на выход для дальнейшего снятия модуляции ПСП у принимаемого ШПС.

Функциональная схема ФАПЧ изображена на рисунке 7.

Рисунок 7. Функциональная схема ФАПЧ

В устройстве фазовой автоподстройкм частоты (ФАПЧ) входная комплексная огибающая перемножителем 49 перемножается с комплексным опорным колебанием с выхода генератора управляемого напряжением (ГУН) 50. Далее вычисляется аргумент результата перемножения 51. Вычисленный аргумент удваивается 52 с целью устранения двоичной фазовой модуляции и подается на петлевой фильтр 53, который формирует сигнал ошибки и подает его на вход ГУН 50.

На выход ФАПЧ подается комплексное опорное колебание.

С целью противодействия эффекту доплера в качестве петлевого фильтра в системе ФАПЧ используется астатическое звено 2-го порядка.

В качестве помехоустойчивого кода был выбран сверточный турбокод. Классический сверточный турбокодер представляет собой параллельное соединение двух рекурсивных систематических сверточных кодеров. Скорость каждого кодера $$\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.$$

. На вход первого кодера подается последовательность бит, а на вход второго - та же последовательность, перемеженная по некоторому закону. Таким образом, на каждый входный бит, турбокодер откликается тремя битами на выходе: входным битом, проверочным битом с верхнего сверточного кодера и проверочным битом с нижнего сверточного кодера.

Скорость данного турбокодера равна 1/3. Однако можно сформировать и так называемый перфорированный, или выколотый код, в котором биты с проверочных выходов сверточных кодеров мультиплексируются, в результате чего сопровождение информационного бита чередуется от бита к биту проверочным битом либо с верхнего, либо с нижнего сверточного кодера. При этом несколько снижается корректирующая способность кода, однако кодовая скорость R возрастает. В любом случае благодаря использованию систематических сверточных кодеров в кодовом блоке можно явно выделить систематическую и проверочные части. Более того, можно считать, что в канал связи передаются два кодовых блока: первый кодовый блок, состоящий из информационной части и проверочной части верхнего сверточного кодера, и второй кодовый блок, состоящий из перемешанной информационной части и проверочной части нижнего сверточного кодера. Ясно, что передавать перемешанную (систематическую) часть второго кодового блока в канал связи нет смысла, поскольку для ее восстановления в декодере можно использовать операцию обратную операции перемежения информационной части кодового блока (деперемежения).

Из рассмотрения принципа кодирования ясно, что при декодировании блок можно ′′расщепить′′ на два кодовых блока, причем информационные части этих двух блоков в силу систематического кодирования и с учетом перемежения идентичны. Это обстоятельство позволяет использовать два декодера, каждый из которых производит декодирование своего кодового блока. Поскольку информационные части каждого из двух кодовых блоков идентичны, декодированную информацию первого (второго) декодера с учетом перемежения можно использовать в качестве априорной информации для второго (первого) декодера с целью уточнения результата декодирования, тем самым как бы замыкая обратную связь между декодерами двух кодовых блоков. Подобную операцию можно производить многократно. В этом и состоит принцип турбо- или итеративного декодирования. Приведенные выше рассуждения являются лишь эвристическим описанием механизма функционирования декодера. Безусловно, оптимальный декодер должен быть построен на основе критерия минимума вероятности ошибочного декодирования (П - оператор перемежения).

Каждая итерация состоит из двух фаз, по одной на компонентный декодер. На первой итерации, в первой фазе SISO декодер первого компонентного кода вычисляет апостериорные LLR в предположении, что все символы равновероятны, то есть Λ_а(u)=0. Этот декодер вычисляет внешнюю информацию для каждого информационного символа Λ_e1(u), используя ту часть принятой кодовой последовательности, которая соответствует проверочным символам r_P1 и отдает результат второму SISO декодеру. Во второй фазе первой итерации перемеженные элементы внешней информации от первого декодера используются как априорные LLR, то есть Λ_а(u)=ΠΛ_e1(u). Затем вычисляется внешняя информация Λ_e2(u) на основе той части принятой последовательности, которая соответствует проверочным символам второго компонентного кода, r_P2, завершая, таким образом, первую итерацию декодирования. В этот момент может быть сделано решение об информационных символах, основанное на апостериорных LLR Λ(u).

На последующих итерациях первый декодер использует деперемеженные элементы внешней информации от второго декодера П^-1Λ_e2(u), как априорные LLR для вычисления мягкого выхода Λ(u). Эта процедура может продолжаться пока не выполнится условие остановки (например, наиболее вероятный выход после очередной итерации не изменился, или достигнуто заданное максимальное количество итераций).

Устройство перемешивания - перемежитель является самой ответственной частью турбокодера для достижения высокой эффективности при итеративном декодировании. Длина перемежителя является одной из основных характеристик сверточного турбокода, влияющих на его помехоустойчивость.

Сверточный турбокод с относительной кодовой скоростью 1/3 и длиной перемежителя 512 бит позволяет обеспечить требования ТЗ по энергетическому выигрышу помехоустойчивого кодирования для ЦМ КРЛ.

ЦМ КРЛ предполагает работу в четырех режимах: штатный режим (режим «работа») и 3 режима встроенного контроля - «ВК1», «ВК2», «ВК3».

В режиме встроенного контроля 1 «ВК1» (промежуточная петля) аналоговая часть радиомодема замыкает сигнал с выходного усилителя на вход приемника. ЦМ формирует и передает непрерывную тестовую последовательность и постоянно считает число ошибок в сигнале, поступающем на вход.

В режиме встроенного контроля 2 «ВК2» (локальная петля). ЦМ формирует непрерывную тестовую последовательность, подает на свой вход и постоянно считает число ошибок.

В режиме встроенного контроля 3 «ВК3» (совместная работа). ЦМ на передающей стороне формирует и передает непрерывную тестовую последовательность. ЦМ на приемной стороне постоянно считает число ошибок в сигнале, поступающем на вход.

Активация указанных режимов производится подачей соответствующих команд в ЦМ КРЛ-ВК1=1, ВК3=1 или ВК3=1.

Режим «работа» активируется, если режимы встроенного контроля неактивны (ВК1=0, ВК3=0 и ВК3=0). В режиме «работа» ЦМ КРЛ может функционировать с включенным или выключенным режимом помехоустойчивого кодирования и с включенным или выключенным режимом модуляции информационным сигналом. Для управления режимом «работа» предусмотрены следующие команды: Вкл кодек. Вкл/выкл помехоустойчивый кодек:

1 - ЦМ включает помехоустойчивый кодек;

0 - ЦМ выключает помехоустойчивый кодек.

КИ - режим модуляции. Вкл/выкл модуляции информационным сигналом:

1 - модуляция включена;

0 - модуляция выключена.

Когда модуляция информационным сигналом выключена, ЦМ КРЛ не перестает периодически передавать ШПС сигнал в эфир.

Функциональная схема соединения ПЛИС, в которой размещен цифровой модем, и контроллера, управляющего работой радиомодема, приведена на рисунке 10.

Контроллер управляет работой размещенного в ПЛИС цифрового модема (в том числе устанавливает скорость передачи информации, начало поиска приемника и т.д.) по интерфейсу SPI2 и через свои порты ввода/вывода.

После включения питания контроллер держит сигнал «Загрузка» на низком уровне, предотвращая начало загрузки ПЛИС. После установки контроллером сигнала «Загрузка» в лог.1 начинается загрузка в ПЛИС Готовность ПЛИС к работе после установки сигнала «Загрузка» в лог.1 определяется сигналом ′′Загрузка окончена′′ (лог. 1).

Режим ′′ведущий/ведомый′′ устанавливается для обеспечения заданной в ТЗ на цифровой модем командной радиолинии возможности измерения дальности. Ведущему устройству соответствует значение лог.1, ведомому - лог.0. Ведомый ЦМ должен обеспечить синхронизацию передаваемого псевдослучайного сигнала с принятым сигналом, т.е. начало ПСП передатчика необходимо привязать к началу ПСП приемника. Ведущий ЦМ должен измерять фазу генератора ПСП приемника (задержку, в количестве элементов ПСП - чипов) относительно ПСП передатчика. Сигнал ′′Ведущий/ведомый′′ поступают извне через разъем платы. Сигнал ′′Ведущий/ведомый′′ устанавливается один раз на плате в зависимости от применения платы (в бортовом или наземном терминале) и не меняется во время работы.

Режим радиолинии по умолчанию: скорость 1200 бит/с, помехоустойчивый кодек включен.

После этого контроллер загружает в ПЛИС информацию, управляющую работой ЦМ, по интерфейсу SPI2: скорость радиолинии, параметры ПСП, включение помехоустойчивого кодека.

В процессе работы по SPI2 в ЦМ передаются команды управления, скорость передачи радиолинии и читается состояние ЦМ. Сигнал «захват ПСП», помимо передачи его в состоянии ЦМ, дублируется потенциальным выводом (лог.1 - захват).

Информационный сигнал от контроллера к ЦМ и от ЦМ к контроллеру передается непрерывно через буферы передачи и приема, размещенные в ПЛИС, по интерфейсу SPI1.

Цифровой модем командной радиолинии (ЦМ КРЛ) предназначен для передачи командной информации с базовой станции на борт (и в обратном направлении) с технической скоростью от 1200 до 153600 бит/с, вероятностью ошибки не выше 10^-7 при отношении сигнал/шум в точке приема не ниже -32 дБ и доплеровском смещении не выше 7.5 кГц с применением помехоустойчивого кодирования или без применения помехоустойчивого кодирования, но при отношении сигнал/шум в точке приема не ниже -26 дБ. ЦМ КРЛ выполняет функции формирования и обработки широкополосного сигнала, оценку качества каналов и выдачу/получение информации через интерфейсное устройство.

В ЦМ КРЛ используются широкополосные сигналы (сигналы с прямым расширением спектра псевдослучайной последовательностью (ПСП), ШПС) с двоичной фазовой модуляцией. Системы связи с ШПС способны работать при отрицательном отношении сигнал/шум (ОСШ) и устойчивы к узкополосным помехам. Двоичная фазовая модуляция имеет наибольшую потенциальную помехоустойчивость в условиях канала с белым гауссовым шумом, наиболее простые схемы частотной и фазовой синхронизации и не требует нормировки фазового созвездия по амплитуде. В качестве помехоустойчивого кода используется сверточный турбокод с относительной кодовой скоростью R=1/3. Кодер сверточного турбокода построен на базе двух рекурсивных систематических сверточных кодеров с образующими полиномами G₁=13, G₂=15 (в восьмеричном формате). Длина перемежителя кодера турбокода - 512 бит. Указанный код обеспечивает эквивалентный выигрыш кодирования (ЭВК) более 7.5 дБ, на уровне средней вероятности битовой ошибки Р_ош=10^-7, что является достаточным для решения поставленной задачи. В таблице 2 перечислена номенклатура выбранных сигнально-кодовых конструкций (СКК).

ЦМ КРЛ обеспечивает следующие технические скорости передачи информации: 1.2, 2.4; 4.8; 9.6; 19.2; 38.4; 76.8; 153.6 кбит/с. Скорость кодирования R=1/3 или R=1 (вариант без кодирования). База ШПС при скорости передачи 1.2 кбит/с равна 39 дБ.

Спектр выходного сигнала передающего тракта удовлетворяет следующим требованиям:

по уровню -3 дБ	≤7.5 МГц,
по уровню -30 дБ	≤10.5 МГц,
по уровню -40 дБ	≤19 МГц,
по уровню -50 дБ	≤34 МГц,
по уровню -60 дБ	≤62 МГц.

Приемный канал модема имеет следующие характеристики:

- потребное отношение С/Ш на входе модема для реализации BER=10^-7 при скорости 1.2 кбит/с - не более минус 31-32 дБ (при применении помехоустойчивого кодирования),

- потребное отношение С/Ш на входе модема для реализации BER=10^-7 при скорости 1,2 кбит/с - не более минус 25-26 дБ (без помехоустойчивого кодирования),

- техническая скорость приема информации 1.2; 2.4; 4.8; 9.6; 19.2; 38.4; 76,8; 153,6 кбит/с при скорость кода - кода 1/3 или 1 (выключение кодирования);

- время вхождения в связь не более 0.5 с.

ЦМ КРЛ должен работает в двух режимах - ведущего и ведомого. В режиме ведомого ПСП передающего канала синхронизируется с ПСП приемного канала. В режиме ведущего измеряется задержка ПСП приемного канала относительно ПСП передающего канала.

ЦМ КРЛ сохраняет работоспособность и основные характеристики при наличии доплеровского смещения частоты сигнала в каналах и нестабильностях частоты опорных генераторов в пределах:

- для ведущего терминала Δf от минус 7.5 до 7.5 кГц;

- для ведомого терминала Δf от минус 5 до 5 кГц.

Время готовности к работе не более 1 мин после подачи питания.

Claims (1)

1. Цифровой модем командной радиолинии, предназначенный для обмена командной информацией между базовой станцией и бортом, включающий в себя передающую и приемную части, в которых содержатся перемножители, модуляторы, демодуляторы, кодер, декодер, генератор тактовых импульсов, фильтры нижних частот, генератор псевдослучайной последовательности, отличающийся тем, что передающая часть модема содержит подключаемый к источнику данных буфер данных для передачи, одним выходом подключенный к входу кодера, а другим - к первому входу первого переключателя режимов работы, второй вход которого подключен к выходу помехоустойчивого кодера, третий - к выходу генератора синхро-преамбулы в виде короткой псевдослучайной последовательности (ПСП), четвертый вход - вход управления - связан со средством задания режима работы, а выход подключен к входу модулятора, выходом подключенного к первому входу первого перемножителя, второй вход которого подключен к выходу генератора псевдослучайной последовательности (ПСП), выход которого связан с входом фильтра нижних частот, выходом подключаемого к входу цифро-аналогового преобразователя,
   приемная часть модема содержит цифровой даунконвертор (DDC), предназначенный для приема отсчетов комплексной огибающей от аналого-цифрового преобразователя, выходы которого связаны с входами устройства поиска широкополосного сигнала (ШПС) по частоте и задержке и первыми входами второго - комплексного - перемножителя, вторые входы которого подключены к выходам устройства фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), а выходы подключены к первым входам третьего - комплексного - перемножителя и первым входам средства слежения за задержкой, второй вход которого соединен с выходом генератора псевдослучайной последовательности (ПСП), а первый выход подключен к второму входу третьего - комплексного - перемножителя, выходы которого через интеграторы связаны с входами устройств выборки-хранения, выходы которых подключены к входам устройства фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), при этом выход одного из устройств выборки-хранения соединен с входом демодулятора, выход которого подключен к средству поиска и устранения синхро-преамбулы, выход которого подключен к первому входу второго переключателя режимов работы через декодер и ко второму его входу непосредственно, третий вход второго переключателя режимов работы - вход управления - связан со средством задания режима работы, а выход подключен к входу выходного буфера, причем первый выход устройства поиска широкополосного сигнала (ШПС) подключен к входу управления цифровым синтезатором, формирующим опорный сигнал даунконвертера, второй выход предназначен для подключения к средствам автоматической регулировки усиления (АРУ), третий выход предназначен для выдачи флага захвата ШПС, а четвертый выход устройства поиска широкополосного сигнала (ШПС), на котором формируется строб перезапуска, подключен к первому входу генератора псевдослучайной последовательности (ПСП), первому входу модуля счета символов ПСП и первому входу генератора тактовых импульсов (ГТИ), второй вход которого соединен со вторым выходом средства слежения за задержкой, один из выходов подключен ко второму входу генератора псевдослучайной последовательности (ПСП), а другой выход - ко второму входу модуля счета символов ПСП, выходом подключенного к входам сброса интеграторов, устройств выборки-хранения, устройства фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), демодулятора, средства поиска и устранения синхро-преамбулы, декодера и выходного буфера,
   устройство поиска широкополосного сигнала (ШПС) содержит блок быстрого преобразования Фурье (БПФ), первый выход которого подключен к блоку нормировки спектра, выходом через первую настраиваемую линию задержки связан с первым входом четвертого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом второй настраиваемой линии задержки, входом подключенной к выходу постоянного запоминающего устройства, выход четвертого перемножителя подключен к входу блока обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ), первые выходы которого подключены к входам некогерентного накопителя, выходом подключенного к входу обнаружителя широкополосного сигнала (ШПС), причем второй выход блока быстрого преобразования Фурье (БПФ) и второй выход блока обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ) подключены к входам модуля формирования команд для автоматической регулировки усиления, при этом входами блока быстрого преобразования Фурье (БПФ) образован вход устройства поиска широкополосного сигнала (ШПС), первым, вторым и третьим выходами обнаружителя широкополосного сигнала (ШПС) образованы первый, третий и четвертый выходы устройства поиска широкополосного сигнала (ШПС), а выходом модуля формирования команд для автоматической регулировки усиления образован второй выход устройства поиска широкополосного сигнала (ШПС),
   средство слежения за задержкой включает в себя первую, вторую и третью линии задержки, причем задержка, обеспечиваемая третьей линией, превышает задержку, обеспечиваемую второй линией, которая превышает задержку, обеспечиваемую первой линией, выходы первой и третьей линий задержки связаны с первыми входами пятого и шестого перемножителей, выходы которых подключены к входам узкополосных фильтров нижних частот, каждый из которых выходом подключен к соответствующему средству возведения в квадрат модуля сигнала, выходы средств формирования квадрата модуля сигнала связаны с входами блока вычитания, выходом подключенного к входу петлевого фильтра, при этом вторыми входами пятого и шестого перемножителей образованы первые входы средства слежения за задержкой, объединенными входами линий задержки образован второй вход указанного средства, а выходом второй линии задержки и выходом петлевого фильтра образованы соответственно первый и второй выход средства слежения за задержкой.

Images