Установка пакетной радиосвязи (УПР)

Пакетные радиосети (ПРС), начавшие развиваться в 1960-е годы, получили широкое распространение в коммерческой, военной и научной областях. В 1972 году Управление перспективных научно-исследовательских работ Министерства обороны США (DARPA) – то самое агентство, которое стояло у истоков Internet – приступило к проведению исследований с целью создания собственной пакетной радиосети. В их задачу входил поиск эффективных методов коллективного использования выделенного радиоканала в условиях неполной или непостоянной связности, характерной для связи с подвижными объектами. В ходе разработки потребовалось решить целый ряд технических проблем, начиная с объединения высокоскоростных модемов и высокопроизводительных микропроцессоров в малогабаритном недорогом блоке с целью реализации протоколов коллективного использования канала и кончая созданием алгоритмов маршрутизации пакетов в сетях с быстроменяющимися характеристиками.

Ниже будет рассмотрен приемопередатчик УПР [9], созданной в рамках этого проекта, а точнее – обработку в нем принимаемых широкополосных многолучевых сигналов. Во второй главе было показано, что когерентный прием сигналов с абсолютной фазовой манипуляцией наталкивается на большие, практически непреодолимые, трудности, связанные с формированием опорного колебания, фаза которого однозначно связана с фазой принимаемого сигнала. Поэтому в контексте настоящего пособия весьма уместно познакомиться с решением этой проблемы, найденной в [9].

Не касаясь других, подчас довольно интересных, технических решений и характеристик указанной УПР, детально описанных в [9], рассмотрим демодулятор этой установки (рис. 3.21).

Рис. 3.21. Функциональная схема демодулятора УПР.

Приведем некоторые характеристики УПР, необходимые для понимания работы демодулятора. УПР использует классические сигналы БФМ, спектр которых расширен кодовой последовательностью (ПСП) с тактовой частотой 12,8 МГц. Кодовая последовательность может меняться от символа к символу; информация о текущем коде содержится в преамбуле пакета. Передача осуществляется на двух скоростях: 400 Кбит/с (высокая, длительность символа 2,5 мкс) и 100 Кбит/с (низкая, длительность символа 10 мкс). Приемник с двойным преобразованием частоты имеет вторую ПЧ, равную 80 МГц.

В демодуляторе с помощью программируемого согласованного фильтра (СФ) снимают модуляцию элементарными символами ПСП и получают сжатый импульс с фазовой манипуляцией информационными символами пакета (преамбула, заголовок, данные и т. д.).

1) Согласованный фильтр НУПР. Структурная схема реализованного программируемого согласованного фильтра НУПР приведена на рис. 3.22. Входной фильтр для приема многоэлементной ПСП, согласованный с длительностью элементарного символа, соединен с многоотводной линией задержки, на соседних выходах которой сигналы появляются с задержкой, равной длительности элемента ПСП (78.125 нс). Для формирования выходного сигнала СФ сигналы, поступающие с отводов линии задержки, суммируют в шинах с весами +1 или —1 в соответствии со структурой ожидаемой кодовой ПСП, а выходы двух шин вычитаются. Многоотводная линия задержки согласованного фильтра реализована с использованием техники ПАВ на четырех интегральных схемах, каждая из которых имеет 32 отвода. При скорости передачи данных 100 тыс. символов в секунду задействованы все 128 отводов линии задержки и выходы четырех интегральных схем объединяются вместе. При скорости передачи данных 400 тыс. символов в секунду обрабатываются сигналы с 32 отводов линии задержки и используется выходной сигнал лишь первой интегральной схемы. Выходной сигнал СФ поступает на демодулятор данных и — после задержки на длительность одного символа — на когерентный рекурсивный интегратор (КРИ) с решающей обратной связью.

2) Когерентный рекурсивный интегратор УПР. КРИ обеспечивает формирование опорного колебания несущей частоты и сигналы профиля многолучевости (зависящие от структуры принимаемого многолучевого сигнала). Опорное колебание необходимо для когерентной демодуляции принимаемого радиосигнала в демодуляторе данных и после детектирования огибающей для определения факта захвата сигнала. Требуемое качество выполнения этих функций обеспечивается за счет увеличения ОСШ на выходе КРИ по сравнению с ОСШ на его входе при наличии широкополосных помех. Увеличение ОСШ зависит от коэффициента усиления а контура КРИ (рис. 3) и равно (1+a)/(1-a). При a==0.85 ОСШ повышается на 10.9 дБ.

3) Накопление многолучевых сигналов и демодуляция данных. Процессор накопления многолучевых сигналов содержит КРИ, демодулятор данных, интегратор со сбросом и следующее за ним устройство принятия решения об информационном символе. Линия задержки перед фазоинвертором КРИ необходима в связи с тем, что сигнал решения формируется в конце принятого символа. Выходной сигнал КРИ соответствует профилю многолучевости канала на радиочастоте (с точностью до фазы) и используется как когерентное опорное колебание для демодуляции данных. В демодуляторе данных происходит умножение этого опорного колебания на выходной сигнал СФ. Применение сигнала с расширенным спектром в условиях многолучевого распространения радиоволн позволяет выделить с помощью СФ сигналы отдельных лучей, взаимная задержка прихода которых приблизительно равна длительности одного элемента ПСП или около 78 нc. Взвешенные сигналы отдельных лучей суммируются в интеграторе со сбросом. Выполнение операций перемножения и интегрирования позволяет реализовать почти оптимальный коррелятор для приема входного сигнала, искаженного многолучевостью. Такая обработка сигнала обеспечивает повышение помехоустойчивости в условиях замираний при многолучевом распространении радиоволн и взаимной задержки прихода сигналов отдельных лучей до 6 мкс при скорости передачи данных 100 тыс. символов в секунду и до 1.6 мкс при скорости передачи данных 400 тыс. символов в секунду.

В каждый момент принятия решения с выхода решающего устройства на вход микропроцессора УПР поступают два двоичных символа: символ наличия (т. е. решение о переданном сигнале) и символ качества. Символ наличия также поступает по цепи обратной связи на вход фазового инвертора (перемножителя) КРИ, в результате на выходе инвертора получают немодулированный импульсный сигнал, который подается на вход интегратора. Символ качества несет информацию об амплитуде принятого информационного символа и используется при работе в режиме последовательного декодирования с мягким (многоальтернативным) решением. Формируемый устройством оценки шума показатель уровня шума служит для выбора порога при формировании символа качества, значение которого используется сетью.

Таким образом, КРИ формирует опорное напряжение для фазового детектора демодулятора данных в виде текущего радиочастотного профиля многолучевости. Темп обновления опорного сигнала (профиля многолучевости) зависит от коэффициента передачи цепи обратной связи КРИ a. Так, при a = 0,85 уровень предыдущего профиля многолучевости спадает до ~ 0,2 за 10 принятых символов. Демодулятор УПР обеспечивает почти оптимальный прием многолучевого сигнала БФМ; потери возникают из-за остаточной зашумленности опорного сигнала, но они невелики при выигрыше 10,9 дБ в схеме КРИ.

Ошибка в приеме символа не влечет за собой фатальных последствий, а лишь уменьшает уровень накопленного профиля многолучевости. Критическим является пакет ошибок кратностью 10 и более, но благодаря перемежению символов в передатчике и деперемежению в приемнике этой ситуации удается избегать.