CC BY
34
16 декабря 2011 r. 18:13
Т-Comm #10-2010
(Технологии информационного общества)
Совмещенная приемо-передающая радиосистема для особых условий применения
Изложен принцип построении сов мещенных систем электросвязи, котором предназначена Оля передачи сигналов управления силами быстрого реагирования. Ее свойства определяются требования ми к системе управления силами быстрого реагирования, с учето м оперативной обстановки, в которой они выполняют свои функциональные обязанности. В ней сочетаются достоинства временного и кодового разделения канате, обеспечивается передача сообщений и ведения радиолокационного контроля одним и тем же ШПС, обработка которого осуществляется в спиновом эхо-процессоре.
Сграхолис А.А.,
Голицынский Пограничный институт
Для ликвидации последствий внезапно возникших чрезвычайных ситуаций создаются силы быстрого реагирования (СВР), которые выполняют свои задачи в особых условиях внешней обстановки. Успех выполняемых ими задач зависит от надежности системы управления, материальной основой которой является система связи управления СБР. Системы связи общего пользования не могут в полной мере обеспечить выполнение всех требований, которые определяются системой управления. Это достоверность передаваемой по каналам связи информации различного вида и пропускная способность системы связи, своевременность передачи информации и безопасности передаваемой информации.
Таким образом, для успешного выполнения стоящих задач при доставке сообщений любого вида (телефонного, телеграфного, передачи данных, факсимильного) должно выполняться обязательное условие, а именно: сообщение должно быть доставлено в установленный срок, без искажений и с сохранением в типе, содержащейся в нем информации. Эти требования реализуются только устойчивой системой специальной электросвязи (ССЭ) для особых условий ее применения. В такой ССЭ: осуществляется сбор информации ог различных датчиков, ведение радиолокационною контроля и связь с аппаратом подвижного абонента; обеспечивается эффективное использование частотного диапазона путем работы в выделенном диапазоне частот на его пассивных участках без взаимного влияния на радиосредства, работающее на активных участках этого же диапазона частот; эффективная работу за счег динамического изменения (адаптивности) ее к заданной территории; повышение эффективности работы охранной системы при минимальном наборе оборудования и скрытном его расположении; эффективная работа при повышенной радиопомеховой обстановке; повышенная разведзащищенность путем увеличения скрытносги ее функционирования и в усложнении структуры сигнала, циркулирующего в ней.
Таким образом, перечисленные выше требования, достаточно полно характеризуют способность ССЭ выполнять возложенные на нее задачи но передаче информации в любых условиях обстановки. Выполнение перечисленных требований к системе связи управления зависит от архитектуры этой сети и конструктивного решения прие-мо-передающих устройств данной системы, что обеспечивает исходя из оперативной обстановки построение се1ей фиксированного радиодостуна но принципу «точка-точка» и «точка — много точек» или быть элементом со-
говой связи. Такая универсальность ССЭ требует выбора соответствующей системы доступа, образования много-канальности, выбора сигналов передачи информации и оптимальных способов ее обработки на приеме. Такие возможности закладываются в совмещенную приемопередающую радиосистему многоканальной сети электросвязи.
Под совмещенной приемопередающей радиосистемой многоканальной сети электросвязи рассматривается такая радиосистема, которая в едином цикле обеспечивает передачу информационных сигналов, связь с аппаратом подвижного абонента и радиолокационный контроль, окружающего базовую станцию пространства.
Ар\нгектура совмещенной приемо-персдающсй
ралиосистемы (СППРС)
Важной особенностью CIIIIPC является возможность ее поэтапного создания с пара щи намнем капитальных затрат. Сначала CII1IPC развертываегся на оперативно важных направлениях с возможностью образования крупных рабочих зон (сот) при относительно небольшим числом абонентов. По мере развития оперативной обстановки и роста числа абонентов размеры сот уменьшаются и увеличивается общее число абонентов. При этом постоянно наращивается объем типового оборудования базовых станций (БС) и центров коммутации. Для такой системы очень важно правильно выбрать соответствующий ее стандарт.
Стандарт GSM принят в России в качесгве Федерального стандарта на цифровые системы подвижной связи. Он обладает большой пропускной способностью и имеет большое чисто абонентов при малых зонах (с радиусом 2...5 км). В нем применены цифровые методы передачи информации, использован многостанционный доступ с временным разделением каналов, что обеспечивает, за счет применения корректирующих кодов, высокое качество приема информации, автоматический поиск и вызов подвижных абонентов на территории обслуживания, динамическое управление и распределение каналов по территории обслуживания в зависимости от трафика и расположения абонентов. Однако такие сисгемы не могут в полной мере удовлетворить требования к системе связи управления силами быстрого реагирования (ССУСБР), в частности по безопасности связи. Поэтому возникает необходимость нетрадиционною подхода при построении радиолиний таких систем. В частности, это приводит к
123
использованию радиосигналов со сложной структурой, так называемых 11111С, и метода многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (МСДКРК). Существенным преимуществом применения шумоподобных сигналов является уменьшение (лубины замирании вызванных многолучевым распространением радиоволн, что, в свою очередь, может обеспечить значительный энергетический вышрыш в радиолиниях с такими сигналами по сравнению с обычными (узкополосными) методами передачи. Это позволяет снизить мощности передатчиков абонентских и базовых станций. Однако при этом возникают трудности в приеме и обработке таких сигналов. Сравнивая достоинства и недостатки двух стандартов, приходим к выводу, что для ССУСБР необходимо строить путем объединения двух стандартов -временного и кодового разделения канатов.
Анализ методов обработки шумонодобных
сигналов
В качестве 111110 передачи могут применяться фазо-манипулированные сигналы, дискретные частотные сигналы, дискретные составные частотные сигналы с фазовой манипуляцией и другие. Поэтому среди устройств формирования и обработки ШПС приоритет отдается тем. которые позволяют осуществлять быструю смену ШПС, сохраняя при этом высокую эффективность функционирования. как системы передачи информации, так и системы радиолокационного контроля и, в то же время, являются относительно простыми.
Проведенный анализ различных систем оптимальной обработке принимаемого ШПС показывает, что основные трудности в данном случае заключаются в поиске, синхронизации и обработке принимаемою ШПС. Проведенные автором исследования показывают, что данная проблема положительно решается, если в указанных устройствах для обработки ШПС применяется спиновой эхо-процессор.
В работах [1, 2. 3] рассмотрена возможность на базе спинового эхо процессора создания устройств согласованной фильтрации и селекции движущихся целей (СДЦ). В задачах радиолокации спиновой эхо-нроцессор выполняет функцию высокостабилыюй линии задержки со временем задержки, равным периоду зондирующих сигналов радиолокационной станции.
Алгоритмы, определяющие работу спиновой системы в режиме корреляционной обработки двух сигналов, представлены на рис. 1.
В первом случае (рис. 1а) после импульсов с комплексной ог ибающей /?!</) и /?Ч/) подают дельтаобразный импульс, а во втором случае (рис. 16) после первого импульса подается дельта импульс, а затем - второй импульс. В первом случае в выходном сиг нале будет инверсное распределение спектра по отношению к выходному сигналу второго стучая.
Алгоритм, определяющий работу спиновой системы в режиме управляемая согласованная фильтрация, определяет возможность создания управляемых согласованных фильтров. Они могут применяться для сигналов произвольною вида, в том числе с изменяющейся структурой. На рис. 2. представлены три алгоритма управляемой согласованной фильтрации.
оі, и н+іі ^
Рис. 2. Варианты алгоритмов согласованной фильтрации сигналов
Управляющий сигнал с точностью до постоянною множителя должен совпадать с сигналом /?(*), причем в первом случае (рис. 2а), управляющий сигнал к тому же еще должен быть инвертирован во времени в отличие от алгоритмов, представленных во втором (рис. 26) и третьем случаям (рис. 2в). Это обусловлено тем, что первый алгоритм основан на операции свертки, а второй и третий на операции корре.тяции двух сигналов. Следует отметить, что согласованная фильтрация выполняется в течение времени, определяемого длительностью информационного импульса.
Управляемые согласованные фильтры целесообразны в системах с изменяющейся структурой сигнала. При этом следует подчеркнуть, что изменение вида сигнала может быть как преднамеренным, так непреднамеренным. Примером непреднамеренного изменения характеристик сигнала может служить радиолокационная станция, зондирующий сигнал которой может изменят ь свой вид из-за нестабильности электрических и температурных режимов. а также из-за старения элементов. Преднамеренное изменение структуры сигнала осуществляется для повышения разведзащищенности системы.
Если в качестве управляющего сигнала процессора использовать зондирующий сигнал станции, то в каждом периоде зондирования фильтр будет согласован не со
124
штатным с Игнатом станции, а с сигналом, фактически излученным в данном периоде зондирования.
Также важно подчеркнуть, что зондирующим сипшом могут быть реализации шума, запоминаемые в спиновом процессоре в каждом периоде зондирования или выборки псевдослучайного процесса.
В работе [1] проведено исследование влияния спата сигнала индукции (ССИ) на работу процессора в режиме согласованной фильтрации. Показано, что наличие этого сигнага ухудшает отношение сигнал/шум, а также может приводить к появлению южных целей в задачах радиолокации. Для появления ССИ используется дополнительное нерезонансное импульсное магнитное поле.
Реализация алгоритма согласованной фильтрации в трехимпульсиом режиме возбуждения спинового эхо процессора (СпЭП) впервые описана в работах [5.12,14]. Принципы создания управляемых согласованных фильтров. основанных на ядерном и электронном спиновом эхо. рассмотрены в бо.тыном количестве книг, статей, авторских свидетельств и патентов.
Принцип построении интервала совмещенной
нриечопере тающей радиосистемы
Исторически так сложилось, что функции передачи информации и радиолокационного контроля выполняют отдельные системы. Однако бурное развитие различных радиотехнических систем породило проблему электромагнитной совместимости и привело к дефициту частотного ресурса. Одним из перспективных направлений решения этой проблемы является проведение исследований ио разработке совмещенных приемо-передающих радиосистем, когда единым сигналом осуществляется зондирование окружающею пространства и передача полученных данных. Так, например, при радиолокационном контроле полученные данные обычно пере;1аются в единую автоматизированную систему управления. Для их передачи дополнительно задействуется система управления и связи. Впервые объединение некоторых элементов этих двух систем нашло применение в системах посадки на Луну, в системах сближения двух космических аппаратов, в радиолокационных системах космических кораблей, в радиолокационных маяках [9.13.15]. Эти системы получили название радиолокационных систем с ответчиком.
Бурное развитие системы телефонной связи с подвижными абонегпами столкнулось с катастрофическим снижением частотного ресурса. Стремление же к удовлетворению потребностей абонента в тетефонной связи привело к необходимости разработки системы цифровой радиотелефонной связи двойною применения [4].
В охранных органах для сплошного радиолокационного контроля определенных участков территории и для связи с подвижными постами наблюдения на этой территории целесообразно создавать единую многоканальную сеть радиосвязи. В свою очередь, при связи с подвижным абонентом довольно часто возникает необходимость в определении его местонахождения. В определенной степени решить эти задачу можно также с помощью совмещенной приемопередающей системы многоканальной электросвязи.
Аназиз канатов системы многоканальной электросвязи показывает, что они всегда многолучевые. Для таких кана-
лов построение совмещенной приемопередающей радиосистемы многоканальной сети электросвязи традиционными методами сопряжено с рядом определенных трудностей. которые существенно снижают достоинства этой системы. Исследования показывают, что совмещенная приемопередающая радиосистема многоканальной сеги радиосвязи имеет преимущества перед традиционными способами. если в ней применяются широкополосные шумоподобные сигналы с оптимальной их обработкой в приемнике.
Методы передачи сиг налов через многолучевые каналы исследовашсь в целом ряде работ [8,10,11]. Однако при анализе таких канаюв авторы рассмафивают характеристики суммарного сигнала, получающегося при сложении сигналов всех лучей. В работе [6] проведен синтез адаптивных приемников многолучевых сигнаюв для классических устройств их обработки. При этом такие приемники строятся ио многоканальному принципу с определением всех параметров многолучевого сигнала и наличием жесткой синхронизации между опорным и принимаемым сипшом. Это существенно затрудняет их практическую реализацию.
Автор предлагает оптимальную обработку широкополосного ШПС осуществлять в СпЭП. Это позволит при определенных условиях разделить многолучевой сигназ на отдельные .тучи и измерить их параметры. Тогда по данным измерений для обработки принимаемого сигнала в СпЭ11 формируется опорный сигнал. 11редполагаем. что в рассматриваемой многоканальной электросвязи решается задача приема и обработки бинарной информации. Критерием качества для работы такой модели используем критерий идеального наблюдателя и критерий максимума правдоподобия.
Эти критерии в работе [8] распространены и на многолучевые каналы. На основе выражений [8] и замечаний [7]. а ткже разработок автора составлена структурная схема базовых станции системы многоканальной радиосвязи, отражающая принцип функционирования совмещенной приемопередающей радиосисгемы многоканальной сети электросвязи со СпЭП (рис. 3), в которой отражены устройства базовой станции БС\, и базовой станции БС2.
Согласно этой схеме радиопередающее устройство БС\ обеспечивает преобразование информационного сигнала в 11ШС определенной структуры и излучение его в сторону получателей информации. За счет влияния тропосферы на условия распространения ШПС между источником и получателем формируется многолучевой канал связи.
Кроме этого, количество лучей в канале резко возрастает за счет воздействия на него различных источников помех, а также за счет эхо-сигналов, возникающих от различного рода подвижных и неподвижных объектов, находящихся в зоне действия многолучевого каната.
С другой стороны источник информационного сигнала БС\ и его получатель БС: могут находиться на различных расстояниях друг от друга, а время приема ШПС носит случайный характер. Поэтому для уверенного приема ШПС и его обработки в приемном тракте включается устройство поиска и слежения за задержкой принимаемого 111 ПС.
125
Источник
информационною
і’Ж ІІЛ1Л
1'а.іи6іісрс,іакішсс устройство базовой станции 1>С|
■ Прием мо-сигнался от
• подвижных объектов и
і определение их параметров
Иггсчпик помех в системе у іргк іе»*ии и и к и)чн«и
>\0-Сиі и&іЮм #СиСі«м<
обнаружения и определения
nupavcipoi* 1кивмжны% ntu.cn гое
Мноюлучеиой канал свяли
РіП ИС1 рир> ЮІІК-V V14 puiici во наличия подвижных объектов
, Устройство обнаружения и і определения параметров і подвижного объекта
Радиоприемное устройство f базовой станции ЬСі
Радиопередающее ус тройство базовой станции ЬС ■
Источник информационно!о cm нала
Радиоприемное устройство базовой станции БС>
Устройство формирования копи/пригашаемого многолучезого сигнала Успмвстио корреляционной обработки принимаемого многолучевого сигнала на основе свойств спинового эхо-
і процессора
параметром і рипимаемем о wiioioji ученої-о сишала ка основе снойс л» СКИПОВОГО ______эхо-ппоцессопа_______
Устройство поиска и слежении та сдержкой принимаемою многолучевою сигнали
Устройство обнаружения и
определения парамеїров
подвижного объекта базовой станини ЬС;
информационною сні '«ала
(абонент сиа«чш унршкіемих и силзи)
І Іриемо-перелаюаіее усіроР-СТІЦ) ПОДВИЖНОГО абонента с с ис:емой поиска. СпМниа за задержкой принимаемого сигнала и системой синхронизации траппа передачи_____________
_L
Получатель информации
Подвижный абонент
Рис. 3. Структурная схема базовых станций системы многоканальной радиосвязи
Устройство определения параметров многолучевого сигнала анализирует и разделяет его на отдельные лучи, определяет их амплитуду и задержку каждого луча относительно первого луча и по полученным данным в устройстве формирования копии принимаемого сигнала формируется опорный сигнал для корреляционной обработки принимаемого шпс.
Но такому алгоритму реализуется тракт передачи-приема информационного сигнала. Все устройства, включенные в этот тракт, работают в синхронном режиме, который определяется устройствами поиска и слежения за задержкой принимаемого ШПС. Для абонентов этого тракта связи используется, в зависимости от абонентской емкости, кодовое, временное или кодово-временное разделение каналов.
Телефонная связь с подвижным абонентом реализуется по асинхронно многоадресной системе. При этом используется временной принцип разделения каналов подвижного абонента ог каналов передачи информационного сигнала. В этом случае приемное устройство подвижного абонента по выделенному для него временному интервалу осуществляет поиск и слежение за ШПС радиорелейного потока. После вхождения в синхронизм оно осуществляет подстройку своего передающего тракта иод приемное устройство радиорелейного тракта. Для вы пат нения этой операции по приемному тракту аппарата подвижного абонента из БС\ постоянно передается значение разностной частоты между передающим и приемным устройствами этого направления.
Радиолокационный контроль окружающего иростран-сгва осуществляется устройством обнаружения и определения параметров подвижных объектов. Для этого из многолучевого канала принимаются эхо-сигналы, образован-
ные путем отражения информационного ШПС от подвижных и неподвижных объектов. Из этой смеси эхо-сигналов выделяются сигналы подвижных объектов, по которым определяются параметры, скорость, азимут1 и дальность этих объектов. Для выполнения указанного алгоритма от источника информационного сигнала в устройство обнаружения передается копия излучаемого LIIIIC.
Заключение
Рассмотренная система будет эффективно функционировать, если в ней на этапах поиска и слежения за задержкой ШПС. определения параметров принимаемого сигнала, а также при оптимальной его обработке, применяются спиновые эхо-процессоры. Поэтому дальнейшие исследования автора посвящены анализу возможности спиновой системы по обработ ке сложных сигналов и определению метода, обеспечивающего совместную работу моделей многолучевого канала и спинового эхо-процессора.
Литература
I Баруздин С.А. Анализ структуры отклика эхо-процессора на трехимпульсное возбуждение И В сб. Метода функциональной электроники в реализации радиотехнических устройств.- Киев: КПП. 1982. С. 93-97. Рукопись дсп. в ВИНИТИ 19.04.83. № 2061-83 ДЕП.
2. Васильев А.А. Построение устройств селекции движущихся целей на базе эхо-процессора // Повышение эффективности радиотехнических систем. Новгород. Новгородский
126
