СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ АДАПТИВНОЙ РАДИОСВЯЗИ

Изобретение относится к области радиосвязи, а именно к автоматизированным системам связи, работающим в каналах с помехами.

Известен способ связи, при котором связь между двумя абонентами осуществляется на одной из выделенных для связи частот [1]. Установление связи между абонентами начинается с поиска пригодной для передачи сообщения частоты, на которой уровень предварительно измеренных помех минимален. Передача сообщения начинается после передачи инициатором связи своему абоненту сигнала подтверждения приема ответа.

Недостатком способа является невозможность работы в помехах и использование только одного вида адаптации, а именно частотной адаптации.

Аналогом заявленному изобретению является способ и устройство по патенту РФ №2138926 [2]. При этом способе закрепленный за радиостанцией частотный ресурс используется в качестве одного из параметров адаптации к условиям ведения связи. Другими регулирующими параметрами являются скорость передачи и формат кода с коррекцией ошибок, а кроме того, мощность передатчика.

Недостатком этого способа и устройства, его реализующего, является то, что они не обеспечивают возможность работы в заградительных (существующих на всех рабочих точках выделенного диапазона частот) помехах оптимальной, для существующих условий радиосвязи, скорости передачи информации, то есть не обеспечивают максимальную пропускную способность линии связи.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) заявленному является способ и устройство по патенту РФ №2284659 [3], характеризующиеся тем, что в промежутках между сеансами связи периодически перестраивают радиоприемное устройство по всем выделенным для связи частотам, формируют сигнал контрольной комбинации, величину которого аттенюатором изменяют в заданных пределах от максимума до минимума, преобразуют этот сигнал в аналоговую форму, суммируют с сигналом шумов с выхода радиоприемного устройства, преобразуют в цифровую форму, на каждой частоте сравнивают полученный сигнал с исходной контрольной комбинацией при различных уровнях сигнала и скоростях передачи, подсчитывают количество ошибок на каждой частоте, определяют, при каком уровне сигнала, с какой скоростью передачи можно работать, и выбирают для связи частоту, обеспечивающую максимальную скорость передачи при минимальном сигнале.

Недостатком этого способа и устройства, его реализующего, является то, что при наличии заградительных помех малое отношение сигнал/шум не только не позволит осуществить выбор оптимальной, для существующих условий радиосвязи, скорости передачи информации, но и обеспечить устойчивую передачу данных.

Цель изобретения: повышение помехозащищенности за счет выделения полезного сигнала из смеси сигнала и помех, одновременного формирования нуля диаграммы направленности в направлении на источник помех.

Эта цель достигается тем, что в способе адаптивной радиосвязи, заключающемся в том, что при отсутствии помех до начала связи приемные и передающие средства корреспондентов настраивают на заранее оговоренные частоты, корреспондент, по инициативе которого начинается связь, передает сигнал вызова, принимающий корреспондент, получив сигнал вызова, передает сигнал подтверждения вызова, в котором передает информацию о качестве канала, на котором предполагается передача информации, если это качество удовлетворяет заданным критериям начинают передачу блока информации со скоростью передачи, соответствующей качеству канала связи, если нет, то повторяют вызов на другой частоте, в процессе приема информации производят подсчет ошибок, и если их число превышает допустимый уровень, передают по обратному каналу команду на изменение скорости передачи и способа кодирования или на смену частоты связи, в промежутках между сеансами связи периодически перестраивают радиоприемное устройство по всем выделенным для связи частотам, формируют сигнал контрольной комбинации, величину которого аттенюатором изменяют в заданных пределах от максимума до минимума, скорость передачи этого сигнала также дискретно изменяют от максимума до минимума, преобразуют этот сигнал в аналоговую форму, суммируют с сигналом шумов с выхода радиоприемного устройства и преобразуют в цифровую форму, на каждой частоте сравнивают полученный сигнал с исходной контрольной комбинацией при различных уровнях сигнала и скоростях передачи и подсчитывают количество ошибок, на каждой частоте определяют, при каком уровне сигнала с какой скоростью передачи можно работать и выбирают для связи частоту, обеспечивающую максимальную скорость передачи при минимальном сигнале, при наличии помех на соответствующих выходах принятые с помощью разнесенных в пространстве антенн и двухвходового цифрового радиоприемного устройства радиосигналы суммируют таким образом, чтобы колебания полезного сигнала складывались, а помеховые колебания вычитались за счет формирования нулей диаграммы направленности в направлении углов прихода помеховых радиоволн с сохранением конечного коэффициента усиления диаграммы направленности в направлении прихода полезного сигнала, а именно вычисляют весовые коэффициенты, с учетом которых складывают антенные колебания по входным процессам и реализуют заложенные в них пространственно-корреляционные различия сигнала и помех, при приеме двух пространственно-разнесенных радиосигналов вводят временные задержки и осуществляют взвешенное суммирование с учетом амплитуды и фазы задержанных сигналов, после суммирования получают выходной сигнал, а при снятии помехи переключаются на процедуры обработки сигналов, предусмотренные при отсутствии помех.

Для реализации предложенного способа в устройство для адаптивной радиосвязи, содержащее последовательно соединенные первое радиоприемное устройство с антенной, модем и радиопередающее устройство с передающей антенной, а также ЭВМ, соединенную с устройствами ввода-вывода, причем управляющие и информационные входы-выходы первого радиоприемного устройства с антенной, модема и радиопередающего устройства с передающей антенной подключены к шине ЭВМ, последовательно соединенные второе радиоприемное устройство с антенной, сумматор, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и первый вычислитель, выполненный с возможностью сравнения сигнала, поступающего из формирователя сигнала контрольной комбинации, с сигналом, поступающим из АЦП, подсчитывания ошибок на каждой частоте и определения, при каком уровне сигнала с какой скоростью можно работать на данной частоте, а также последовательно-соединенные формирователь сигнала контрольной комбинации, аттенюатор и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), выход которого подключен к другому входу сумматора, кроме того, управляющие входы второго радиоприемного устройства с антенной, формирователя сигнала контрольной комбинации и аттенюатора, а также информационный вход и выход первого вычислителя подключены к шине ЭВМ, а выход формирователя сигнала контрольной комбинации соединен с другим входом первого вычислителя, дополнительно введены фильтр, коммутатор, блок оценки уровня помех, цифровой возбудитель, двухвходовое цифровое радиоприемное устройство, соединенное двухсторонними связями через второй вычислитель с цифроаналоговым преобразователем, выход которого через фильтр подключен ко второму информационному входу коммутатора, выход модема через коммутатор подключен к информационному входу радиопередающего устройства с передающей антенной, помеховые выходы второго вычислителя двухсторонними связями подключены к блоку оценки уровня помех, цифровой возбудитель подключен двухсторонними связями к двухвходовому цифровому радиоприемному устройству, второму вычислителю и шине ЭВМ, входы-выходы аналого-цифрового преобразователя, коммутатора, двухвходового цифрового радиоприемного устройства, второго вычислителя, второго цифроаналогового преобразователя двухсторонними связями подключены к шине ЭВМ, входы-выходы устройств ввода-вывода являются входами-выходами устройства для адаптивной радиосвязи.

Схема устройства, реализующего предложенный способ, приведена на фигуре и содержит: последовательно соединенные и работающие в первой ветви процедур (при отсутствии помех) первое радиоприемное устройство 1, модем 2 и радиопередающее устройство 3, ЭВМ 4, соединенную с устройствами ввода-вывода 5, причем информационные и управляющие входы и выходы первого радиоприемного и радиопередающего устройств 1, 3 и модема 2 подключены к шине 15 ЭВМ. Кроме того, устройство содержит последовательно соединенные второе радиоприемное устройство 6, сумматор 7, аналого-цифровой преобразователь 8 и первый вычислитель 9, а также последовательно соединенные формирователь сигнала контрольной комбинаций 10, аттенюатор 11 и первый цифроаналоговый преобразователь 12, выход которого подключен ко второму входу сумматора 7, причем другие входы второго радиоприемного устройства 6, формирователя сигнала контрольной комбинации 10, аттенюатора 11 и вход-выход первого вычислителя 9 подключены к шине ЭВМ 15, первая приемная антенна 14 подключена к первому радиоприемному устройству 1, а вторая приемная антенна 13 подключена к второму радиоприемному устройству 6. Работа во второй ветви процедур (при наличии помех) обеспечивается с помощью узлов: двухвходового цифрового радиоприемного устройства 16, второго вычислителя 17 с помеховыми выходами 20, второго цифроаналогового преобразователя 18, фильтра 19, блока 21 оценки уровня помех, коммутатора 22, цифрового возбудителя 23, входы-выходы устройств ввода-вывода 5 являются входами-выходами 24 устройства для адаптивной радиосвязи. ЭВМ 4 с шиной 15, входы-выходы устройств 5 ввода-вывода с входами-выходами 24, радиопередающее устройство 3, приемные антенны 13, 14 и коммутатор 22 являются общими для двух процедур обработки сигналов.

Устройство, реализующее предложенный способ, работает следующим образом. В отсутствии помех работает первая ветвь устройства, в которую входят узлы: 1-14 и шина 15. В этом случае через устройства 5 ввода-вывода в ЭВМ 4 заносят необходимые для связи данные (план связи) и информацию, подлежащую передаче. Посредством ЭВМ 4 второй приемник 6 периодически перестраивают по всем выделенным для связи частотам. На каждой частоте посредством узла 10 формируют сигнал контрольной комбинации, который поступает на аттенюатор 11 и первый вычислитель 9, при котором скорость передачи дискретно изменяют по заданным значениям от максимума до минимума. Аттенюатором 11 по командам с ЭВМ 4 дискретно изменяют уровень сигнала контрольной комбинации по заранее установленным значениям от максимума до минимума, преобразуют цифроаналоговым преобразователем 12 в аналоговую форму, складывают сумматором 7 с сигналом шумов на данной частоте, поступающим с выхода второго приемника 6, преобразуют аналого-цифровым преобразователем 8 в цифровую форму и подают в первый вычислитель 9. В вычислителе 9 сравнивают сигнал исходной контрольной комбинации, поступающий на него из формирователя 10, с сигналом, искаженным шумами и помехами, поступающим на него с АЦП 8, и определяют, с какой максимальной скоростью и при каком минимальном уровне сигнала можно работать на данной частоте. Полученные результаты выдают в ЭВМ 4 и по окончании цикла перестройки по всем частотам выбирают частоту, обеспечивающую максимальную скорость обмена информацией при минимальном сигнале. После этого процесс анализа частот повторяют и полученные данные постоянно обновляют.

Для передачи информации передающее устройство 3 вызывающего корреспондента и первый приемник 1 вызываемого корреспондента посредством ЭВМ 4 настраивают одну и ту же, заранее обусловленную частоту. Приемник 1 вызывающего корреспондента настраивают на предварительно выбранную частоту, обеспечивающую на данный момент максимальную скорость передачи информации при минимальном сигнале. Посредством ЭВМ 4 устанавливают соответствующий режим работы модема 2 и коммутатора 22. С помощью передающего устройства 3 передают с минимальной скоростью и использованием наиболее помехоустойчивого кода сигнал вызова, который содержит информацию о частоте, на которую будет настроен первый приемник 1, и о качестве канала связи на этой частоте.

У вызываемого корреспондента при приеме сигнала вызова посредством ЭВМ 4 настраивают передающее устройство 3 на частоту, переданную в сигнале вызова, а первый приемник 1 на предварительно выбранную частоту, обеспечивающую максимальную на данный момент времени скорость передачи информации при минимальном сигнале. Режимы работы модема 2 устанавливают соответствующими качеству каналов связи, на которые настроены первые приемники 1 вызываемого и вызывающего корреспондентов, и передают сигнал подтверждения вызова, в котором содержится информация о частоте, на которую настроен первый приемник 1, и о качестве канала связи на этой частоте.

В случае неприема сигнала подтверждения вызова более определенного времени передачу сигнала вызова повторяют на другой, заранее обусловленной частоте.

При приеме сигнала подтверждения вызова у вызывающего корреспондента посредством ЭВМ 4 устанавливают передающее устройство 3 на частоту, переданную в сигнале подтверждения вызова, а режим работы модема 8 и коммутатора 22 - соответствующим качеству канала связи на этой частоте. После этого посредством модема 2, коммутатора 22, управляемого ЭВМ 4 по шине 15, и передающего устройства 3 передают информацию с максимально возможной на данный момент времени скоростью передачи.

У вызываемого корреспондента в процессе приема информации программно аппаратными средствами модема 2 определяют и подсчитывают количество некорректируемых ошибок в принимаемом сообщении. Если сообщение принято с допустимыми искажениями, то по обратному каналу вызывающему корреспонденту передают подтверждение его приема. В случае, когда сообщение принимают с числом ошибок, превышающим допустимую величину, на вызывающую сторону по обратному каналу передают служебный сигнал, несущий информацию о снижении скорости передачи или, если есть частота, позволяющая передавать информацию с более высокой скоростью и достоверностью, о переходе на эту частоту. При этом передающее устройство 3 вызывающего корреспондента и первый приемник 1 вызываемого корреспондента настраивают на эту частоту, а в модемах 2 устанавливают режим работы, соответствующий изменившемуся (в результате снижения скорости передачи или перехода на новую частоту) качеству канала связи.

При наличии помех вторая ветвь процедур, которая включается сразу после обнаружения блоком 21 оценки уровня помех на выходе 20 второго вычислителя 17 помех, а узлы первой ветви процедур 1, 2, 6, 7, 8, 9, 12 отключаются на время действия помех. Радиосигналы принимаются двумя антеннами 13 и 14, обрабатываются двухвходовым цифровым радиоприемным устройством 16, в который могут входить, например, два преселектора и два АЦП, которые трансформируют принятые сигнально-помеховые смеси, например, по технологии «программируемое радио» - SDR, в поток данных для реализации алгоритма пространственно-временной обработки сигналов с помощью второго вычислителя 17, выполненным, например, на сигнальном процессоре типа TMS320C6678. Второй вычислитель 17 производит фильтрационное разделение сигналов и сдвиг квадратур на нулевую частоту каждого из них. Пары квадратур сигналов суммируют во втором вычислителе 17 таким образом, чтобы колебания полезного сигнала складывались, а помеховые колебания вычитались за счет формирование нулей диаграммы направленности в направлении углов прихода помеховых радиоволн с сохранением конечного коэффициента усиления диаграммы направленности в направлении прихода полезного сигнала, а именно, вычисляют весовые коэффициенты, с учетом которых складывают антенные колебания, по входным процессам (парциальным колебаниям) и реализуют заложенные в них пространственно-корреляционные различия сигнала и помех, вводят (при необходимости) временные задержки в каждую ветвь пространственного разнесения и осуществляют взвешенное суммирование с учетом амплитуды и фазы задержанных сигналов, после суммирования получают выходной сигнал, который далее демодулируется, декодируется и по шине 15 поступает в ЭВМ 4. В узле 17 сигналы дополнительно обрабатываются соответствующими демодуляторами, оснащенными, например, схемами тактовой синхронизации. В ЭВМ 4 решаются задачи оценки достоверности принятой информации, качества канала связи и посылки запроса на повторении передачи недостоверного сообщения. Переключение частот и режимов работы передающего устройства 3 осуществляется ЭВМ 4 по шине 15, а переключение частот и режимов работы двухвходового цифрового радиоприемного устройства 16 осуществляется цифровым возбудителем 23, управляемым ЭВМ 4 по шине 15.

Установка известных всем абонентам начальных частот и режимов работы осуществляется с входа-выхода 24 через устройство 5 ввода-вывода, ЭВМ 4 и шину 15.

Передаваемое сообщение через устройство 5 ввода-вывода поступает в ЭВМ 4, где сообщения разделяют на блоки (кадры). Каждый кадр, например, кодируется для исправления ошибок, в начале кадра формируются заголовочные сообщения, которые синхронизируют процедуры обмена информацией. Затем сообщения через шину 15 передаются во второй вычислитель 17, где в соответствии с качеством выбранного для связи канала осуществляют в цифровом виде операции кодирования и модуляции. Затем цифровой сигнал преобразуется в узле 18 в аналоговую форму, фильтруется в узле 19 для уменьшения уровня боковых лепестков в спектре передаваемого радиосигнала и подается на второй информационный вход коммутатора 22, управляемого ЭВМ 4 по шине 15. С выхода коммутатора 22 через передающее устройство 3 и соответствующую антенну радиосигналы излучаются в пространство.

При отсутствии сведений об углах прихода помехи во втором вычислителе 17 осуществляется операция оценки весовых коэффициентов, с учетом которых складываются антенные колебания по входным процессам и реализация, заложенных в них пространственно-корреляционных различий сигнала и помех с помощью пространственно-временной обработки сигналов, которая включает в себя не только сложение сигналов с разных антенн, но и введение (при необходимости) линий задержки в каждую ветвь пространственного разнесения, построенных, например, на трансверсальных фильтрах, и дополнительного взвешенного суммирования задержанных сигналов.

Адаптивная работа устройства при наличии помех заключается в использовании совокупности радиосигналов двух приемных элементов (узлы 13 и 14), с помощью которых получается информация об исследуемых физических полях, и адаптивно работающего в реальном масштабе времени, двухвходового цифрового радиоприемного устройства 16, второго вычислителя 17 с помеховыми выходами 20 и ЭВМ 4, осуществляющих автоматическую компенсацию нежелаемых сигналов (помех), адаптивную подстройку диаграммы направленности, для повышения эффективности приема полезного сигнала, выбор весовых коэффициентов в диаграммообразующей схеме. Выделение сигнала из смеси с помехой осуществляется за счет разного фазового сдвига колебаний сигнала и помехи в разнесенных антеннах или (и) перекоса в отношении амплитуд сигнала и помехи (проявление пространственного разноса их источников), и корреляционных свойств колебаний сигнала и помехи, принятых на разные антенны. Основной задачей узлов 16, 17, 4 является такая подстройка весовых коэффициентов, при которой реализуется выбранный критерий эффективности, например, критерии минимума среднеквадратичной ошибки. Оптимальные алгоритмы, реализуемые в узлах 17 и 4, обеспечивают не только компенсацию помехи, но и когерентное сложение сигнала с разнесенных антенн. Например, для антенных систем с идентичными круговыми диаграммами направленности антенных элементов это дает повышение отношения сигнал/шум на 3 дБ для двухэлементной антенной системы. Оптимальная величина пространственного разноса между элементами составляет половину длины волны (λ/2), уменьшение разноса до величины менее λ/8 приводит к резкому снижению коэффициента подавления помехи.

Выходные сигналы узла 16 поступают во второй вычислитель 17, где они умножаются на комплексные весовые коэффициенты (с учетом амплитуды и фазы) и суммируются, образуя выходной цифровой сигнал.

По уровню и характеристикам помех с помощью блока 21 можно судить о наличии постановщиков помех, их количестве и обеспечить пеленгацию источников излучения, что позволяет абонентам ориентироваться в сложной помеховой обстановке.

Предлагаемый способ и устройство для его реализации позволяют обеспечить:

- адаптивное понижение технической скорости в зависимости от сигнально-помеховой обстановки в условиях интенсивных помех с переходом на повышенную мощность передаваемого радиосигнала и более сложную сигнально-кодовую конструкцию с исправлением ошибок;

- избирательность по соседнему каналу, например, не менее 40 дБ как в передающей, так и в приемной стороне с помощью полосовых фильтров 19;

- адаптивное перераспределение потока переспросов за счет использования в ЭВМ процедур, характерных для систем передачи данных с решающей обратной связью;

- обнаружение и индикация применения средств радиоэлектронного противодействия.

Таким образом, настоящее изобретение в случае отсутствия помех обеспечивает способ и устройство для адаптивной радиосвязи на частотах, позволяющих передавать информацию с максимальной на данный момент времени скоростью передачи при минимальном уровне сигнала, а в случае наличия помех - определяет их присутствие, отключает работу первой ветви устройства и подключает вторую ветвь. В результате этой процедуры двухвходовым цифровым радиоприемным устройством и вторым вычислителем осуществляется выделение сигнала из смеси с помехой за счет разного фазового сдвига колебаний сигнала и помехи в разнесенных антеннах или (и) перекоса в отношении амплитуд сигнала и помехи (из-за проявления пространственного разноса их источников), и корреляционных свойств колебаний сигнала и помехи, принятых на разные антенны, формирования нулей в направлении углов прихода помеховых радиоволн с сохранением конечного коэффициента усиления в направлении прихода полезного сигнала, а именно, вычисляются весовые коэффициенты, с учетом которых складываются антенные колебания, по входным процессам (парциальным колебаниям) и реализуются заложенные в них пространственно-корреляционные различия сигнала и помех. Введение (при необходимости) временных задержек в каждую цепочку пространственного разнесения и взвешенное суммирование с учетом амплитуды и фазы задержанных сигналов позволяют получить выходной сигнал с максимально возможной на данный момент времени скоростью передачи при существующем уровне помех.

Литература

1. Военные системы радиосвязи, ч. 1. Под ред. В.В. Игнатова. Л., ВАС, 1989, с. 379-382.

4. Патент РФ №2138926.

5. Патент РФ №2284659 (прототип).