Устройство беспроводной связи, позволяющее вести одновременную передачу и прием информации в одной полосе частот

 

Полезная модель относится к радиосвязи, и может быть использовано при разработке беспроводных систем связи. Сущность полезной модели состоит в том, что в известное устройство, содержащее: информационный вход, являющийся входом устройства, информационный выход, блок цифроаналогового преобразования, первый блок преобразования частоты, передающую антенну, приемную антенну, второй блок преобразования частоты, блок аналого-цифрового преобразования, дополнительно вводится блок формирования сигналов, блок оценки канала распространения радиоволн, первый усилитель, первый фильтр, первый блок задержки, блок ослабления, второй фильтр, первый сумматор, второй усилитель, блок формирования компенсирующего сигнала, второй сумматор, блок демодуляции сигнала, второй блок задержки, буферное запоминающее устройство. Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое решение, - повышение скорости передачи информации, достигаемое за счет того, что предлагаемое устройство производит одновременную передачу и прием сигналов, в одной полосе частот, что позволяет максимально эффективно использовать выделенный частотно-временной ресурс.

Полезная модель относится к радиосвязи, и может быть использована при разработке беспроводных систем связи.

Известно устройство беспроводной связи, приведенное в описании изобретения под названием "Система радиосвязи с ретранслятором" [1]. Устройство содержит каскадно соединенные блок коммутации и сопряжения, модулятор, передатчик, фильтр, имеющий два выхода, первый из которых, соединен с входом приемо-передающей антенны, а второй с входом приемника, и два входа, первый из которых соединен с выходом передатчика, а второй с выходом приемо-передающей антенны, демодулятор вход которого соединен с выходом приемника, а выход с входом блока контроля и сопряжения. Скорость передачи данных зависит от ширины используемой полосы частот, и используемого вида модуляции. Недостатком данного устройства является то, что данное устройство работает в дуплексном режиме (временном либо частотном), таким образом, выделенный частотно временной ресурс используется только на 50%, что в свою очередь снижает потенциально возможную скорость передачи информации.

Наиболее близким к заявляемому устройству, является устройство приема и передачи OFDM-сигналов с повышенной помехоустойчивостью [2]. Устройство прототип состоит из последовательно соединенных: кодера-перемежителя, вход которого является входом устройства, символьного мэппера и блока формирования пилот-сигналов, последовательно соединенных: блока псевдослучайной фазовой модуляции поднесущих, блока вычисления обратного преобразования Фурье, блока вставки защитного интервала, блока цифроаналогового преобразования, I/Q модулятора-преобразователя частоты и передающей антенны, последовательно соединенных: приемной антенны, I/Q демодулятора-преобразователя частоты, блока аналого-цифрового преобразования, блока вычисления прямого преобразования Фурье, блока оценки и коррекции параметров канала, символьного демэппера и помехоустойчивого декодера-деперемежителя, выход которого является информационным выходом устройства, блока вычисления отношения сигнал-шум и фазового демодулятора поднесущих, причем выход блока формирования пилот-сигналов подсоединен к первому входу блока псевдослучайной фазовой модуляции поднесущих, выход блока вычисления прямого преобразования Фурье соединен с первым входом фазового демодулятора поднесущих, вход блока вычисления отношения сигнал-шум подсоединен ко входу I/Q-демодулятора-преобразователя частоты, а выход - ко второму входу блока псевдослучайной фазовой модуляции поднесущих и ко второму входу фазового демодулятора поднесущих, третий вход блока псевдослучайной фазовой модуляции поднесущих является входом данных сигнализации устройства, а выход фазового демодулятора поднесущих является выходом данных сигнализации устройства. Недостатком устройства прототипа является то, что данное устройство работает в дуплексном режиме (временном либо частотном), таким образом, выделенный частотно временной ресурс используется только на 50%, что в свою очередь снижает потенциально возможную скорость передачи информации.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, - повышение скорости передачи информации, достигаемое за счет того, что предлагаемое устройство производит одновременную передачу и прием сигналов, в одной полосе частот, что позволяет максимально эффективно использовать выделенный частотно-временной ресурс.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известное устройство, содержащее: информационный вход, являющийся входом устройства, информационный выход, блок цифроаналогового преобразования, первый блок преобразования частоты, вход которого соединен с выходом блока цифро-аналогового преобразования, передающую антенну, приемную антенну, второй блок преобразования частоты, блок аналого-цифрового преобразования, вход которого соединен с выходом второго блока преобразования частоты, дополнительно вводится блок формирования сигналов, вход которого является информационным входом устройства, а первый выход блока формирования сигналов соединен с входом блока цифроаналогового преобразования, первый усилитель, вход которого соединен с выходом первого блока преобразования частоты, первый фильтр, вход которого соединен с выходом первого усилителя, а выход соединен с входом передающей антенны, фазовращатель, вход которого соединен с выходом первого усилителя, первый блок задержки, вход которого соединен с выходом фазовращателя, блок ослабления, вход которого соединен с выходом первого блока задержки, второй фильтр, вход которого соединен с выходом приемной антенны, первый сумматор, первый вход которого соединен с выходом блока ослабления, а второй вход соединен с выходом второго фильтра, второй усилитель, вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход соединен с входом второго блока преобразования частоты, второй блок задержки, вход которого соединен с первым выходом аналого-цифрового преобразователя, блок оценки канала распространения радиоволн, первый вход которого соединен с первым выходом блока формирования сигналов, а второй вход с вторым выходом блока аналого-цифрового преобразования, буферное запоминающее устройство, вход которого соединен с выходом блока оценки канала распространения радиоволн, блок формирования компенсирующего сигнала, первый вход которого соединен с выходом буферного запоминающего устройства, а второй вход соединен с вторым выходом блока формирования сигналов, второй сумматор, первый вход которого соединен с выходом второго блока задержки, а второй вход которого соединен с выходом блока формирования компенсирующего сигнала, блок демодуляции сигнала, вход которого соединен с выходом второго сумматора, а выход которого является информационным выходом устройства.

Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 1, на которой обозначено: 1 - информационный вход устройства, 2 - блок формирования сигналов, 3 - блок цифро-аналогового преобразования, 4, 15 - первый и второй блоки преобразования частоты, 5, 14 - первый и второй усилители, 6, 12 - первый и второй фильтры, 7 - передающая антенна, 8 - фазовращатель, 9 - первый блок задержки, 10 - блок ослабления, 11 - приемная антенна, 13, 21 - первый и второй сумматор, 16 - блок аналого-цифрового преобразования, 17 - блок оценки канала распространения радиоволн, 18 - буферное запоминающее устройство, 19 - блок формирования компенсирующего сигнала, 20 - второй блок задержки, 22 - блок демодуляции сигнала, 23 - информационный выход устройства.

Подробное описание устройства.

Традиционно системы связи используют дуплексное разделение передаваемой и принимаемой информации, временное либо частотное. При полном дуплексе передача и прием данных производится одновременно, в одной полосе частот, что позволит удвоить скорость передачи данных, за счет более эффективного использования частотно-временного ресурса. Сложность реализации заключается в том, что мощность сигнала на выходе передающей антенны 7 значительно превышает мощность принимаемого сигнала от удаленного приемо-передающего пункта в приемной антенне 11, таким образом, приемный тракт будет забит собственным передаваемым сигналом. Для нормального функционирования полнодуплексной системы связи, необходима развязка порядка 100 дБ меду передающей 7 и приемной 11 антенной каждого приемопередающего пункта. Для того чтобы полнодуплексная связь стала реализуемой, необходимо производить компенсацию собственного передаваемого сигнала в приемном тракте. В условиях многолучевого канала распространения радиоволн (РРВ), приемной антенной 11 будут приниматься не только прямой сигнал с выхода антенны 7, но и сигналы отраженные от различных окружающих объектов. Для компенсации переотраженных сигналов необходимо произвести оценку канала связи между передающей антенной 7 и приемной антенной 11.

Для описания работы устройства введем следующие обозначения:

- "Пилот сигнал" - заранее известный сигнал, используемый для оценки канала РРВ.

- "Сигнал помеха" - связной сигнал, предназначенный для удаленного приемного пункта, излученный передающей антенной 7, поступивший также в приемную антенну 11.

- "Полезный сигнал" - связной сигнал от удаленного передающего пункта, принимаемый приемной антенной 11,

Первоначально производится оценка канала РРВ, между передающей 7 и приемной 11 антеннами устройства. Блок формирования сигналов 2, формирует "пилот сигнал", с выхода блока формирования сигналов 2, "пилот сигнал" поступает на вход блока цифро-аналогового преобразования 3, на первый вход блока оценки канала распространения радиоволн 17, а также на второй вход блока формирования компенсирующего сигнала 19. С выхода блока цифро-аналогового преобразования 3, сигнал последовательно проходит через первый блок преобразования частоты 4, и первый усилитель 5, с выхода последнего "пилот сигнал" поступает на вход первого фильтра 6 и далее излучается передающей антенной 7. Также "пилот сигнал" с выхода первого усилителя 5 поступает на вход фазовращателя 8, далее на вход первого блока задержки 9. С выхода первого блока задержки 9, "пилот сигнал" поступает на вход блока ослабления 10. Фазовращатель, первый блок задержки и ослабления настраиваются (в ручном либо автоматическом режиме), таким образом, чтобы сигнал прошедший через эти блоки и поступивший на первый вход первого суммтора 13, совпадал по мощности и задержке с сигналом поступившим на второй вход сумматора 13, но при этом был в противофазе, с той целью, чтобы максимально скомпенсировать прямой сигнал излученный антенной 7 и поступивший в приемную антенну 11.

Излученный передающей антенной 7, "пилот сигнал", пройдя через многолучевой канал распространения радиоволн, принимается приемной антенной 11, поступает на вход второго фильтра 12, где производится фильтрация принимаемых сигналов, и выделение сигналов заданной полосы частот.

Далее "пилот сигнал" последовательно проходит через сумматор 13, где производится компенсация прямого луча, второй усилитель 14, второй блок преобразования частоты 15, блок аналого-цифрового преобразования 16. С первого выхода блока аналого-цифрового преобразования 16 "пилот сигнал" поступает на вход второго блока задержки 20, а со второго выхода блока 16, "пилот сигнал" поступает на второй вход блока оценки канала распространения радиоволн 17. В блоке 17 по исходному "пилот сигналу" и "пилот сигналу", прошедшему канал распространения радиоволн, формируется оценка канала распространения радиоволн (оценка передаточной функции и импульсной характеристики), между передающей антенной 7, и приемной антенной 11, с учетом компенсации прямого луча после суммирования в блоке 13. Работа блока 17 (блок оценки канала распространения радиоволн) раскрыта в описании полезной модели 115591 «Устройство для оценки передаточной функции канала распространения радиоволн». В данной полезной модели оценка канала распространения радиоволн производится по "пилот сигналу", в цифровом виде. Оценка канала РРВ может быть произведена любым известным методом, например [3]. Оценку импульсной характеристики канала РРВ полученную в блоке 17 обозначим h(m). Полученная в блоке 17 оценка канала РРВ, сохраняется в буферном запоминающем устройстве 18, она необходима на последующих этапах, для формирования компенсирующего сигнала в блоке 19, для устранения переотражений "сигнала помехи" вызванного многолучевостью канала РРВ, а также энергии прямого луча, оставшейся после аналоговой компенсации.

После получения оценки канала РРВ, между передающей 7 и приемной 11 антеннами устройства, устанавливается связь с удаленным приемо-передающим пунктом и начинается передача и прием информационных сигналов. На вход устройства 1 поступает информационный сигнал, в блоке формирования сигналов 2 производится обработка информационного сигнала (помехоустойчивое кодирование, перемежение, модуляция). На выходе блока формирования сигналов 2 формируется дискретный сигнал S1(m), где m - номер отсчета дискретной последовательности. Сигнал S1(m) поступает на вход блока цифро-аналогового преобразования 3, где сигнал преобразуется в аналоговую форму. Далее сигнал S1(t) поступает на вход первого блока преобразования частоты 4, здесь производится перенос сигнала на несущую частоту, после чего сигнал в A раз усиливается в первом усилителе 5:

Sусил(t)=A·S1(t)·sin(2ft+)+n,

где S1(t) - модулированный информационный сигнал,

f - несущая частота сигнала,

- начальная фаза,

t - время,

n - шум.

С выхода первого усилителя 5 сигнал S усил(t) проходит через первый фильтр 6, и далее поступает на вход передающей антенны 7, откуда излучается в удаленный приемо-передающий пункт. Однако, сигнал из передающей антенны 7, через среду распространения, посредствам электромагнитных волн, поступает также в приемную антенну 11 данного устройства. Поскольку предлагаемое устройство работает в режиме полного дуплекса, т.е. передача сигнала удаленному приемному пункту, а также прием сигналов от удаленного передающего пункта производятся одновременно, в одной полосе частот, то собственный сигнал, поступивший из передающей антенны 7, в приемную антенну 11 предлагаемого устройства, создает значительные помехи приему "полезного сигнала", от удаленного приемо-передающего пункта, поскольку мощность собственного "сигнала помехи" на десятки дБ превосходит мощность полезного информационного сигнала от удаленного передающего пункта. Таким образом, в приемной антенне принимается суммарный сигнала Sпр(t): сумма "полезного сигнала", от удаленного передатчика S пол(t), и "сигнала помехи" Sпом(t). При наличии многолучевого канала распространения радиоволн, в приемной антенной также будут приниматься переотраженные сигналы.

Sпр(t)=Sпом(t)+Sпол (t)+n,

Sпом(t)=Sпом_пр(t)+ Sпом_отр(t),

Sпом_пр(t)=A1 0·S1(t)·sin(2ft+10)+n,

Sпол(t)=Sпол_пр (t)+Sпол_отр(t)

Sпол_пр(t)=A2 0·S2(t)·sin(2ft+20)+n,

Sпол_пр - прямой "сигнал-помеха",

Sпом_отр - отражения "сигнала-помехи", вызванные многолучевостью канала РРВ,

Sпол_пр - прямой "полезный сигнал",

Sпол_отр - отражения "полезного сигнала", вызванные многолучевостью канала РРВ,

A10 - амплитуда прямого "сигнала-помехи",

A1i - амплитуда i-ого переотраженного "сигнала-помехи",

l - количество переотраженных "сигналов-помех",

A20 - амплитуда прямого "полезного сигнала",

A2j - амплитуда j-ого переотраженного "полезного сигнала",

k - количество переотраженных "полезных сигналов",

S1(t) - модулированный информационный сигнал на выходе блока цифро-аналогового преобразования 3 предлагаемого устройства,

S2(t) - модулированный информационный сигнал удаленного передатчика,

f - несущая частота сигнала,

10 - начальная фаза прямого "сигнала-помехи",

1i - начальная фаза i-ого переотраженного "сигнала-помехи",

20 - начальная фаза прямого "полезного сигнала",

2j - начальная фаза j-ого переотраженного "полезного сигнала",

1i - задержка i-ого переотраженного "сигнала-помехи" относительно прямого "сигнала-помехи",

2j - задержка j-ого переотраженного "полезного сигнала" относительно прямого "сигнала-помехи",

причем A1>>A2. Для демодуляции "полезного сигнала", необходимо устранить влияние "сигнала помехи". Для этого сигнал Sусил(t) с выхода первого усилителя 5 поступает на вход фазовращателя 8, после чего сигнал последовательно проходит через блок первый блок задержки 9 и блок ослабления 10. На выходе блока ослабления 10 формируется "компенсирующий сигнал". Задержка и ослабление сигнала в блоках 9 и 10 производятся таким образом, чтобы компенсирующий сигнал как можно более точно совпадал с "сигналом помехой", но был в противофазе. Компенсация "сигнала помехи" производится в первом сумматоре 13. На первый вход первого сумматора 13 поступает сигнал Sкомп(t), на второй вход первого сумматора 13 поступает сигнал Sпр(t), принятый приемной антенной 11, и прошедший через второй фильтр 12

В случае если , то прямой "сигнал-помеха" Sпом_пр (t) и компенсирующий сигнал Sкомп(t) практически полностью исключат друг друга, таким образом, на выходе первого сумматора 13 имеем сигнал Sпр1(t),

Sпр1 (t)=Sпом_отр(t)+Sпол_пр(t)+Sпол_отр (t)+n,

Для максимального устранения принятых отражений «сигнала помехи», вызванных многолучевостью канала РРВ, проводится дополнительная цифровая обработка.

С выхода первого сумматора 13, сигнал Sпр1(t), поступает на вход второго усилителя 14, где сигнал усиливается, и далее поступает на вход второго блока преобразования частоты 15, откуда на вход блока аналого-цифрового преобразования 16. Обозначим оцифрованный сигнал как Sпр1(m).

S пр1(m)=Sпом_отр(m)+Sпол_пр(m)+S пол_отр(m)+n,

Sпом_отр(m) - сигнал, соответствующий сигналу Sпом_отр(t) после усиления, преобразования частоты и оцифровки,

Sпол_пр (m) - сигнал, соответствующий сигналу Sпол_пр(t), после усиления, преобразования частоты и оцифровки,

Sпол_отр(m) - сигнал, соответствующий сигналу S пол_отр(t), после усиления, преобразования частоты и оцифровки,

С выхода блока аналого-цифрового преобразования 16, сигнал Sпр1(m) поступает на вход второго блока задержки 20. В блоке 19 производится формирование компенсирующего сигнала, на основании сигнала сформированного в блоке 2 и оценке канала РРВ хранящейся в блоке 18. Компенсирующий сигнал Sкомп (m) может быть записан следующим образом: Sкомп(m)=ifft(fft(S1(m))·fft(h(m))), где: fft - операция прямого быстрого преобразования Фурье, ifft - операция обратного быстрого преобразования Фурье. Второй блок задержки 20 используется для того, чтобы поступающие на первый и второй входы второго сумматора были синхронизированы. С выхода блока 19, компенсирующий сигнал Sкомп(m) поступает на второй вход второго сумматора 21, где складывается с сигналом Sпр(m). Компенсирующий сигнал Sкомп(m) с выхода блока 19, практически полностью повторяет сигнал S пом_отр(m), но находится с ним в противофазе. Таким образом, производится компенсация "сигнала-помехи", Sпом_отр (m), вызванного многолучевостью канала РРВ. Запишем сигнал S пр2(m), на выходе второго сумматора 21:

Sпр2(m)=Sпол_пр(m)+Sпол_отр(m)+n,

С выхода второго сумматора 21 сигнал Sпр2 (m), поступает на вход блока демодуляции сигнала 22, где производится демодуляция (декодирование, деперемежение), и извлекается информационная последовательность, которая поступает на информационный выход 23 предлагаемого устройства. Оценку канала РРВ между передающей антенной 7 и приемной антенной 11 предлагаемого устройства, следует периодически повторять, частота повторения зависит от скорости изменения канала РРВ (время когерентности). Описанные выше операции позволяют получить развязку, между передающим и приемным трактом, порядка 100 дБ, которая достигается за счет аналоговой компенсации "сигнала помехи", цифровой компенсации, производимой после аналого-цифрового преобразования, а также за счет физического разнесения приемной 7 и передающей 11 антенн предлагаемого устройства.

Повышение скорости передачи информации достигается за счет работы устройства в полнодуплексном режиме (одновременная передача и прием информации в одной полосе частот), что позволяет максимально эффективно использовать выделенный частотно-временной ресурс, и может достигать от 1,5 до 2 раз, по сравнению с устройством прототипом.

1. Пат. РФ 2371852, МПК H04B 7/24. Система радиосвязи с ретранслятором. Опубл. 27.10.2009

2. Пат. РФ 2423002, МПК H04J 13/00. Устройство приема и передачи OFDM-сигналов с повышенной помехоустойчивостью. Опубл. 20.02.2010

3. Е.П. Ворошилин, Е.В. Рогожников, А.С. Вершинин, Метод повышения точности оценки передаточной функции канала распространения радиоволн / Известия Томского политехнического университета. 2011. Т. 319. 5, с. 133-137.

Устройство беспроводной связи, позволяющее вести одновременную передачу и прием информации в одной полосе частот, содержащее: информационный вход, являющийся входом устройства, информационный выход, блок цифроаналогового преобразования, первый блок преобразования частоты, вход которого соединен с выходом блока цифроаналогового преобразования, передающую антенну, приемную антенну, второй блок преобразования частоты, блок аналого-цифрового преобразования, вход которого соединен с выходом второго блока преобразования частоты, отличающееся тем, что в него дополнительно вводится блок формирования сигналов, вход которого является информационным входом устройства, а первый выход блока формирования сигналов соединен с входом блока цифроаналогового преобразования, первый усилитель, вход которого соединен с выходом первого блока преобразования частоты, первый фильтр, вход которого соединен с выходом первого усилителя, а выход соединен с входом передающей антенны, фазовращатель, вход которого соединен с выходом первого усилителя, первый блок задержки, вход которого соединен с выходом фазовращателя, блок ослабления, вход которого соединен с выходом первого блока задержки, второй фильтр, вход которого соединен с выходом приемной антенны, первый сумматор, первый вход которого соединен с выходом блока ослабления, а второй вход соединен с выходом второго фильтра, второй усилитель, вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход соединен с входом второго блока преобразования частоты, второй блок задержки, вход которого соединен с первым выходом аналого-цифрового преобразователя, блок оценки канала распространения радиоволн, первый вход которого соединен с первым выходом блока формирования сигналов, а второй вход с вторым выходом блока аналого-цифрового преобразования, буферное запоминающее устройство, вход которого соединен с выходом блока оценки канала распространения радиоволн, блок формирования компенсирующего сигнала, первый вход которого соединен с выходом буферного запоминающего устройства, а второй вход соединен с вторым выходом блока формирования сигналов, второй сумматор, первый вход которого соединен с выходом второго блока задержки, а второй вход которого соединен с выходом блока формирования компенсирующего сигнала, блок демодуляции сигнала, вход которого соединен с выходом второго сумматора, а выход которого является информационным выходом устройства.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, а именно, к области средств техники безопасности на железнодорожном транспорте, и может быть использовано для обеспечения пассажирского поезда беспроводной адресной аварийной сигнализацией и внутренней связью

Полезная модель относится к области дистанционного управления робототехническими комплексами с получением телеметрической и мультимедийной информации из района выполнения задачи и может быть использована для передачи сигналов как через основной наземный, так и резервный спутниковый радиоканал связи при отсутствии радиовидимости
Наверх