RU2441320C1 - System of communication by ultrabroadband signals with increased accuracy and stability of synchronisation - Google Patents
System of communication by ultrabroadband signals with increased accuracy and stability of synchronisation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2441320C1 RU2441320C1 RU2010119288/08A RU2010119288A RU2441320C1 RU 2441320 C1 RU2441320 C1 RU 2441320C1 RU 2010119288/08 A RU2010119288/08 A RU 2010119288/08A RU 2010119288 A RU2010119288 A RU 2010119288A RU 2441320 C1 RU2441320 C1 RU 2441320C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input
- signal
- channel
- frequency
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Mobile Radio Communication Systems (AREA)
- Transmitters (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике, в частности к скоростным системам радиосвязи, использующим импульсные сверхширокополосные (СШП) сигналы, у которых рабочая полоса и средняя частота сигнала сравнимы. Благодаря отсутствию несущей частоты импульсные сигналы с очень малой длительностью (порядка 1 нсек и менее) и большой скважностью позволяют повысить скорость передачи информации, сохранить высокое качество передаваемой информации и скрытность передачи.The present invention relates to radio engineering, in particular to high-speed radio communication systems using pulsed ultra-wideband (UWB) signals, in which the working band and average signal frequency are comparable. Due to the absence of a carrier frequency, pulsed signals with a very short duration (of the order of 1 nsec or less) and a large duty cycle can increase the speed of information transfer, maintain high quality of the transmitted information and secrecy of transmission.
Известна система связи по патенту US 6925109 «Method and system for fast acquisition of ultra-wideband signals». James L.Richards, Mark D.Roberts. 02.08.2005. Сущность метода вхождения в синхронизм в этой системе СШП связи состоит в использовании любой части многолучевого распространения кодовой последовательности импульсного радиосигнала. За счет увеличенного импульсного потока многолучевого радиосигнала возникает возможность корреляционной обработки с образцовым импульсным потоком и при их совпадении система входит в синхронизм. При пороговой обработке, по крайней мере, одной отраженной части многолучевости после проверки на синхронизм система осуществляет быстрый захват. Таким образом, способ обнаружения импульсного радиосигнала заключается в приеме импульсного сигнала, измерении образцового (копии) импульсного потока, поиске импульсного сигнала за счет сдвига копии импульсного потока до момента их совпадения.Known communication system according to patent US 6925109 "Method and system for fast acquisition of ultra-wideband signals". James L. Richards, Mark D. Roberts. 08/02/2005. The essence of the synchronization entry method in this UWB communication system is to use any part of the multipath propagation of a pulsed radio signal code sequence. Due to the increased pulsed flux of the multipath radio signal, it becomes possible to correlate with the standard pulsed flux, and when they coincide, the system enters into synchronism. With threshold processing of at least one reflected part of the multipath after checking for synchronism, the system performs a quick capture. Thus, a method for detecting a pulsed radio signal is to receive a pulsed signal, measure a reference (copy) of a pulsed stream, search for a pulsed signal by shifting a copy of the pulsed stream until they coincide.
К недостатку известной системы можно отнести неработоспособность в мобильном исполнении, так как условие многолучевости непредвиденно изменяется в зависимости от дальности и относительного положения приемника и передатчика.The disadvantage of the known system can be attributed to inoperability in mobile execution, since the multipath condition unexpectedly varies depending on the range and relative position of the receiver and transmitter.
Известен способ и система связи с быстрым вхождением в синхронизм сверхширокополосными сигналами (Патент RU №2354048. Способ и система связи с быстрым вхождением в синхронизм сверхширокополосными сигналами. Кыштымов Г.А., Бондаренко В.В. и др. 28.11.2007 г.)A known method and communication system with fast entry into synchronism with ultra-wideband signals (Patent RU No. 2354048. Method and communication system with fast entry into synchronism with ultra-wideband signals. G. Kyshtymov, V. Bondarenko and others. 11.28.2007)
Сущность способа вхождения в синхронизм состоит в использовании двух независимых радиоканалов - СШП радиоканал и широкополосный (ШП) радиоканал с ФМ или ЧТ радиосигналами, по которым одновременно распространяется, например, кодовая последовательность синхросигнала.The essence of the method of entering synchronism is the use of two independent radio channels - a UWB radio channel and a broadband (SHP) radio channel with FM or CT radio signals, which simultaneously transmit, for example, a synchronization code sequence.
Моменты изменения фазы или частоты ШП радиосигнала соответствуют временным окнам с импульсами СШП радиосигнала в центре каждого временного окна. Вхождение в синхронизм и поддержание его через определенные промежутки времени, в течении которых СШП радиосигнал не должен выйти за пределы временного окна при всех дестабилизирующих факторах, обеспечивается ШП радиоканалом. В промежутках между синхросигналами ШП радиоканал может передавать другую информацию. Выделение моментов изменения фазы или частоты ШП радиосигнала осуществляются в процессах его усиления, преобразования на промежуточную частоту и в цифровую форму с помощью АЦП и последующей обработки вейвлет-фильтром.The moments of change in the phase or frequency of the RF signal correspond to time windows with UWB pulses of the radio signal in the center of each time window. Entering synchronism and maintaining it at certain time intervals during which the UWB radio signal should not go beyond the time window for all destabilizing factors is provided by the NW radio channel. In the intervals between the synch signals of the NW radio channel can transmit other information. The moments of the change in the phase or frequency of the NW radio signal are extracted in the processes of its amplification, conversion to an intermediate frequency and digital form using an ADC and subsequent processing by a wavelet filter.
К недостаткам этой системы связи можно отнести ее работоспособность только при отсутствии многолучевости в ШП радиоканале.The disadvantages of this communication system include its operability only in the absence of multipath in the silo radio channel.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является система связи, описанная в [I.J.Immoreev, A.A.Sudakov, "Ultra-Wideband Interference Resistant System for Secure Radio Communication with High Data Rate", ICCSC′02, St. Petersburg, Russian Federation, June 2002] («Сверхширокополосная помехоустойчивая система скрытой связи с высокой скоростью передачи данных», стр.230-232), принятая за прототип.Closest to the proposed technical solution is the communication system described in [I.J. Immmorev, A. A. Sudakov, "Ultra-Wideband Interference Resistant System for Secure Radio Communication with High Data Rate", ICCSC′02, St. Petersburg, Russian Federation, June 2002] ("Ultra-wideband noise-immunity covert communications system with high data rate", pp. 230-232), adopted as a prototype.
Блок-схема СШП радиостанции-прототипа, входящей в систему связи, приведена на фиг.1, где введены следующие обозначения:The block diagram of the UWB radio prototype included in the communication system is shown in figure 1, where the following notation is introduced:
I - общая часть устройства:I - the general part of the device:
3 - переключатель прием/передача;3 - receive / transmit switch;
4 - широкополосный фильтр (ШПФ);4 - broadband filter (FFS);
5 - антенна;5 - antenna;
II - передающая часть (ПРД):II - transmitting part (PRD):
1 - буферное устройство передатчика (БУП);1 - transmitter buffer device (BUP);
2 - генератор сверхширокополосных (СШП) импульсов;2 - generator of ultra-wideband (UWB) pulses;
III - приемная часть (ПРМ):III - receiving part (PFP):
6 - малошумящий усилитель (МУ);6 - low noise amplifier (MU);
7 - аттенюатор;7 - attenuator;
8 - делитель мощности на два канала;8 - power divider into two channels;
9 - блок временного окна канала сигнала;9 is a block of the time window of the signal channel;
10 - пороговое устройство канала сигнала;10 - threshold device channel signal;
11 - буферное устройство канала сигнала (БУС);11 —buffer device of a signal channel (BUS);
12 - формирователь порогового напряжения канала сигнала;12 - shaper threshold voltage of the signal channel;
13 - блок временного окна канала шума;13 - block time window of the noise channel;
14 - пороговое устройство канала шума;14 - threshold device of the noise channel;
15 - буферное устройство канала шума (БУШ);15 - buffer device noise channel (BUSH);
16 - формирователь порогового напряжения канала шума;16 - shaper threshold voltage of the noise channel;
17 - блок обработки и управления;17 - processing and control unit;
18 - блок синхронизации.18 is a synchronization unit.
Устройство-прототип содержит в общей части I приемопередатчика последовательно соединенные переключатель 3 прием/передача, широкополосный фильтр (ШПФ) 4 и антенну 5. В передающей части II имеется последовательно соединенные буферное устройство БУП 1 и генератор сверхширокополосных (СШП) импульсов 2, выход которого соединен с первым входом переключателя 3 прием/передача. Приемная часть III (ПРМ) содержит последовательно соединенные малошумящий усилитель МУ 6, аттенюатор 7, делитель мощности на два канала 8, блок временного окна канала сигнала 9, пороговое устройство канала сигнала 10, буферное устройство канала сигнала БУС 11, выход которого соединен с первым входом блока обработки и управления 17, первый выход которого шиной подключен к входам формирователей порогового напряжения каналов сигнала 12 и шума 16, к входу блока синхронизации 18 и второму входу аттенюатора 7, второму входу переключателя прием/передача 3, второй выход которого соединен с входом МУ 6. Кроме того, второй выход делителя мощности на два канала 8 через последовательно соединенные блок временного окна канала шума 13, пороговое устройство канала шума 14 и БУШ 15 соединен со вторым входом блока обработки и управления 17, второй выход которого соединен с входом БУП 1. Первый выход блока синхронизации 18 соединен со вторым входом блока временного окна канала сигнала 9, а второй выход блока синхронизации 18 соединен со вторым входом блока временного окна канала шума 13. Выходы формирователей порогового напряжения канала сигнала 12 и канала шума 16 подключены соответственно ко вторым входам пороговых устройств канала сигнала 10 и канала шума 14. Вход-выход блока обработки и управления 17 является входом/выходом информации.The prototype device contains, in the general part I of the transceiver, a receive /
Устройство-прототип работает следующим образом.The prototype device operates as follows.
Информация, поступающая на «вход/выход» блока обработки и управления 17, кодируется в последовательность импульсов, которые через БУП 1 запускают генератор 2 СШП импульсов. СШП импульсы поступают через переключатель 3 прием/передача и ШПФ 4 в антенну 5, которая излучает сигнал в эфир. Два канала приемной части абонентского СШП приемопередатчика осуществляют параллельный прием. Один канал служит для приема сигнала, второй - для оценки уровня внешних шумов и сигналов переотражений от препятствий, расположенных на пути распространения СШП сигнала. Основу каждого канала составляет чувствительное пороговое устройство канала сигнала 10 и чувствительное пороговое устройство канала шума 14, выполненные на базе ключевых туннельных диодов, предназначенных для работы в диапазоне СВЧ. Прием в сигнальном и шумовом каналах осуществляется в соответствующих временных окнах (временных интервалах). Сигнал, принимаемый антенной 5 абонентской станции через переключатель 3, усиливается малошумящим усилителем 6 и подается через аттенюатор 7 на делитель мощности на два канала 8: на канал сигнала и на канал шума. По первому каналу через блок временного окна канала сигнала 9 поступает сигнал на первый вход порогового устройства канала сигнала 10, где происходит сравнение с пороговым напряжением формирователя порогового напряжения канала сигнала 12. Шумы со второго выхода делителя мощности на два канала 8 через блок временного окна канала шума 13 подаются на первый вход порогового устройства канала шума 14, где происходит сравнение с пороговым напряжением формирователя порогового напряжения канала шума 16. С выхода пороговых устройств канала сигнала 10 и канала шума 14 результаты сравнения через соответствующие буферные устройства БУС 11 и БУШ 15 поступают на обработку в цифровой сигнальный процессор блока обработки и управления 17. Сигнальный процессор анализирует отклонения от пороговых напряжений, принимаемый сигнал и принимаемые шумы. В зависимости от результатов обработки осуществляется регулировка чувствительности приемной части III путем подстройки порогов формирователями порогового напряжения канала сигнала 12 и канала шума 16. Регулировка динамического диапазона приемной части производится с помощью аттенюатора 7. Также по результатам анализа осуществляется управление работой блока синхронизации 18. Перед началом работы осуществляется калибровка приемной части по внешним шумам. Основные задачи калибровки - установка пороговых напряжений, подаваемых на пороговые устройства канала сигнала 10 и канала шума 14. При калибровке уровень порога в канале сигнала устанавливается выше, чем пороговое напряжение в канале шума, на величину, необходимую для достижения требуемой вероятности ошибки на бит. Калибровка осуществляется после включения питания приемной части и после потери сигнала в рабочем режиме. После завершения калибровки приемной части система переходит в режим поиска сигнала. Поиск сигнала - это режим, обеспечивающий вхождение в синхронизм приемной и передающей частей системы связи. Передающая часть источника сообщения излучает служебный сигнал, который служит для установления связи между ним и приемной частью. В этом режиме в приемнике блок синхронизации 18 через блок временного окна канала сигнала 9 производит поиск переданного сигнала путем временного сдвига синхронизирующих импульсов до момента совпадения с принятым сигналом. Принятый сигнал устанавливается по центру окна. Процедура поиска сигнала осуществляется системой синхронизации и так же, как и калибровка, производится после включения питания приемной части и после потери сигнала в рабочем режиме. В рабочем режиме постоянно осуществляется оценка уровня шумов в шумовых окнах. При изменении измеренного уровня шума изменяются значения порогов в шумовом и, соответственно, в сигнальном каналах, а также происходит регулировка уровня сигнала аттенюатором 7. Наряду с этим в рабочем режиме производится постоянное слежение за положением принимаемого СШП сигнала в сигнальном окне. При отклонении положения СШП сигнала от центра окна на заданный минимальный временной интервал система синхронизации формирует команду на смещение сигнального окна на необходимый временной интервал. В случае потери сигнала (отсутствие импульсов в сигнальном окне) система связи выходит из рабочего режима и переходит в режим калибровки и поиска сигнала.The information supplied to the "input / output" of the processing and
Время вхождения системы связи в синхронизм τсинх определяется перебором временного сдвига синхронизирующих импульсов с шагом, равным (0,5÷1) длительности СШП сигнала τи во всем промежутке следования синхроимпульсов Т. Так как длительность СШП импульса τи много меньше Т (в 100 и более раз), то реальное время вхождения в синхронизм даже при соотношении сигнал/помеха, равном 10 дБ, может достигать от 0,05 до 0,5 сек.The time that the communication system enters the synchronism τ sync is determined by sorting the time shift of the synchronizing pulses with a step equal to (0.5 ÷ 1) the duration of the UWB signal τ and in the entire interval of the synchronization pulses T. Since the duration of the UWB pulse is τ and much less than T (100 or more times), then the real time of entering synchronism even with a signal / noise ratio of 10 dB can reach from 0.05 to 0.5 seconds.
Недостатком устройства-прототипа является длительное время вхождения системы в синхронизм, что связано с длительным перебором временного сдвига синхронизирующих импульсов с мелким шагом.The disadvantage of the prototype device is the long time it takes for the system to enter synchronism, which is associated with a long search of the time shift of synchronizing pulses with a small step.
Другой недостаток этого устройства состоит в следующем. В этом устройстве применяется равномерно-интервальное двоичное кодирование, когда прием и передача коротких импульсов осуществляется в заранее известных равномерно расположенных временных интервалах (временных окнах), длительность которых значительно больше длительности одного единственного СШП импульса, который может находиться в этом окне. Иначе говоря, один СШП синхроимульс (или информационный сигнал «1» или «0») может находиться в сравнительно большом по длительности окне, чтобы упростить осуществление взаимной синхронизации передающей и принимающей радиостанций.Another disadvantage of this device is as follows. This device uses uniformly-interval binary coding, when the reception and transmission of short pulses is carried out in previously known evenly spaced time intervals (time windows), the duration of which is much longer than the duration of a single UWB pulse that can be in this window. In other words, one UWB clock (or information signal “1” or “0”) can be in a relatively long window to simplify the mutual synchronization of transmitting and receiving radio stations.
В то же время известно, что прием сигнала в окне, длительность которого не намного превышает длительность информационного сигнала, улучшает помехозащищенность устройства от импульсных помех, так как большая часть импульсных помех попадает в шумовые окна.At the same time, it is known that receiving a signal in a window whose duration is not much longer than the duration of the information signal improves the noise immunity of the device from impulse noise, since most of the impulse noise enters the noise windows.
Также повышается помехозащищенность от приема переотраженных сигналов.Also increases the noise immunity from receiving the reflected signals.
Однако в целом такая система радиосвязи работоспособна только при использовании узконаправленных антенн и при стационарном положении передающей и приемной радиостанций.However, in general, such a radio communication system is operable only when using narrowly directed antennas and with the stationary position of the transmitting and receiving radios.
Поэтому при использовании антенн с круговой направленностью необходимо передавать информационные сигналы «1» или «0» в виде неравномерно-интервального кода, состоящего из заранее известных n=3, 4, 5, 6 и т.д. неравномерных интервалов между СШП импульсами. В этом случае при использовании разных интервалов существенно повышается помехозащищенность передачи информации путем исправления одной, двух и более ошибок в принятом коде за счет использования мажоритарных схем приема информации, но с соответствующим снижением скорости передачи в n раз из-за избыточности информационных импульсов.Therefore, when using antennas with a circular orientation, it is necessary to transmit information signals “1” or “0” in the form of an uneven-interval code consisting of previously known n = 3, 4, 5, 6, etc. uneven intervals between UWB pulses. In this case, when using different intervals, the noise immunity of information transmission is significantly increased by correcting one, two or more errors in the received code due to the use of majority schemes for receiving information, but with a corresponding decrease in the transmission speed by a factor of n due to the redundancy of information pulses.
Значительное уменьшение количества информационных импульсов достигается при позиционном кодировании двоичного кода. Сущность этого кодирования в том, что одним информационным сигналом, располагающимся на одной определенной позиции, можно передавать любое число N разрядного кода. Например, для передачи одного байта информации необходимо иметь 256 позиций. Совместное использование позиционного кодирования с неравномерно интервальным кодированием каждого информационного сигнала позволяет сохранить как скорость передачи, так и помехозащищенность.A significant reduction in the number of information pulses is achieved with positional coding of a binary code. The essence of this coding is that with one information signal located at one specific position, any number N of the bit code can be transmitted. For example, to transfer one byte of information, you must have 256 positions. The combined use of positional coding with unevenly interval coding of each information signal allows you to save both the transmission speed and noise immunity.
Но для осуществления позиционного кодирования нужна очень высокая точность и стабильность синхронизации между двумя радиостанциями при всех неблагоприятных условиях, а в мобильных вариантах и с учетом эффекта Доплера. Принципиальным недостатком таких схем является требование высокой идентичности задающих генераторов на различных сторонах канала связи. Даже дорогие и громоздкие прецизионные кварцевые генераторы не решают проблему идентичности задающих генераторов на обеих сторонах канала связи, особенно при работе с высокоскоростными мобильными объектами.But for the implementation of positional coding, very high accuracy and stability of synchronization between two radio stations is necessary under all adverse conditions, and in mobile versions, taking into account the Doppler effect. The principal drawback of such schemes is the requirement of high identity of the master oscillators on different sides of the communication channel. Even expensive and bulky precision crystal oscillators do not solve the problem of the identity of the master oscillators on both sides of the communication channel, especially when working with high-speed mobile objects.
Для устранения указанных недостатков в систему связи сверхширокополосными сигналами с повышенной точностью и стабильностью синхронизации, состоящую, как минимум, из двух радиостанций, каждая из которых имеет общую, передающую и приемную части, причем общая часть содержит последовательно соединенные переключатель прием/передача, широкополосный фильтр и антенну; передающая часть содержит последовательно соединенные буферное устройство передатчика и генератор сверхширокополосных импульсов; приемная часть содержит последовательно соединенные малошумящий усилитель, аттенюатор, делитель мощности на два канала (канал сигнала и канал шума); последовательно соединенные пороговое устройство канала сигнала и буферное устройство канала сигнала, выход которого соединен с первым входом блока обработки и управления; последовательно соединенные пороговое устройство канала шума и буферное устройство канала шума, выход которого соединен со вторым входом блока обработки и управления; кроме того, первый выход блока обработки и управления соединен шиной с входами формирователей пороговых напряжений канала сигнала и канала шума, со вторыми входами аттенюатора и переключателя прием/передача, второй выход которого соединен с входом малошумящего усилителя, причем второй выход блока обработки и управления соединен с входом буферного устройства передатчика, выход генератора сверхширокополосных импульсов соединен с первым входом переключателя прием/передача, выходы формирователей пороговых напряжений канала сигнала и канала шума соединены соответственно со вторыми входами пороговых устройств канала сигнала и канала шума, вход-выход блока обработки и управления является входом-выходом информации, введены последовательно соединенные опорный генератор, делитель опорной частоты, первый ключ, выход которого соединен с выходом второго ключа и сигнальным входом делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления; формирователь ответного синхросигнала, первый выход которого соединен с сигнальным входом второго ключа, второй выход соединен с сигнальным входом третьего ключа, выход которого соединен с входом сброса делителя опорной частоты; а шина «вход-выход» формирователя ответного синхросигнала соединена с шиной с первого выхода блока управления и обработки, с которым той же шиной соединены входы управления первого, второго и третьего ключей; цифровой синтезатор частот (ЦСЧ), состоящий из последовательно соединенных делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления, частотно-фазового детектора, фильтра нижних частот, генератора, управляемого напряжением, и делителя частоты с переменным коэффициентом деления, выход которого соединен со вторым входом частотно-фазового детектора, при этом второй выход генератора, управляемого напряжением, соединен с третьим входом блока обработки и управления, а с четвертым его входом соединен второй выход частотно-фазового детектора (выход индикатора синхронизма), а также микроконтроллер, с первого выхода которого шина соединена с управляющими входами делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления, частотно-фазового детектора и делителя частоты с переменным коэффициентом деления, которые образуют цифровую часть ЦСЧ; со второго выхода микроконтроллер по шине «вход-выход» соединен с шиной с первого выхода блока обработки и управления, пятый вход которого соединен с выходом опорного генератора; при этом первый выход делителя мощности на два канала соединен с входом порогового устройства канала сигнала, а второй выход соединен с входом порогового устройства канала шума.To eliminate these shortcomings in the communication system with ultra-wideband signals with increased accuracy and stability of synchronization, consisting of at least two radio stations, each of which has a common, transmitting and receiving parts, the common part containing a series of connected transmit / receive switch, a broadband filter and an antenna; the transmitting part comprises a series-connected buffer device of the transmitter and an ultra-wideband pulse generator; the receiving part contains a low-noise amplifier, an attenuator, a power divider in two channels (signal channel and noise channel) connected in series; the signal channel threshold device and the signal channel buffer device, the output of which is connected to the first input of the processing and control unit, are connected in series; the noise channel threshold device and the noise channel buffer device, the output of which is connected to the second input of the processing and control unit, are connected in series; in addition, the first output of the processing and control unit is connected by a bus to the inputs of the threshold voltage conditioners of the signal and noise channels, with the second inputs of the attenuator and the receive / transmit switch, the second output of which is connected to the input of the low-noise amplifier, and the second output of the processing and control unit is connected to the input of the transmitter buffer device, the output of the ultra-wideband pulse generator is connected to the first input of the receive / transmit switch, the outputs of the threshold channel voltage generators and to the noise channels are connected respectively to the second inputs of the threshold devices of the signal channel and the noise channel, the input-output of the processing and control unit is an input-output of information, series-connected reference generator, reference frequency divider, the first key, the output of which is connected to the output of the second key and signal the input of the frequency divider with a fixed division ratio; a response synchronizer, the first output of which is connected to the signal input of the second key, the second output is connected to the signal input of the third key, the output of which is connected to the reset input of the reference frequency divider; and the input-output bus of the response synchronizer is connected to the bus from the first output of the control and processing unit, to which the control inputs of the first, second, and third keys are connected to the same bus; digital frequency synthesizer (DSC), consisting of a series-connected frequency divider with a fixed division ratio, a frequency-phase detector, a low-pass filter, a voltage-controlled generator, and a frequency divider with a variable division ratio, the output of which is connected to the second input of the frequency-phase detector wherein the second output of the voltage-controlled generator is connected to the third input of the processing and control unit, and the second output of the frequency-phase detector is connected to its fourth input (in stroke matching indicator) as well as a microcontroller, with which the first output bus is connected to the control inputs of the frequency divider with a fixed division factor, the phase-frequency detector and frequency divider with a variable division ratio which form part of the digitally TSSCH; from the second output, the microcontroller is connected via the input-output bus to the bus from the first output of the processing and control unit, the fifth input of which is connected to the output of the reference generator; wherein the first output of the power divider into two channels is connected to the input of the threshold device of the signal channel, and the second output is connected to the input of the threshold device of the noise channel.
В основу предлагаемой системы связи поставлена задача: создать высокоточную и стабильную синхронизацию в работе двух связанных СШП радиостанций. Для этого передатчик первой радиостанции излучает в каждом интервале ПРД синхроимпульсы и информационные сигналы, а приемник второй радиостанции принимает эти сигналы и с помощью местного ЦСЧ на основе системы импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) подстраивает и синхронизирует свои интервалы ПРМ с интервалами от ПРД первой радиостанции с точностью до фазы. Это возможно потому, что передатчик первой радиостанции и приемник второй радиостанции начинают теперь работать от одного опорного генератора в первой радиостанции. Точно также передатчик и второй радиостанции излучает в каждом интервале ПРД синхроимпульсы и информационные сигналы, а приемник первой радиостанции принимает эти сигналы и с помощью ЦСЧ первой радиостанции синхронизирует свои интервалы ПРМ с интервалами от ПРД второй радиостанции с точностью до фазы. Иначе говоря, получаются две синхронные системы ИФАПЧ, работающие каждая от своего опорного генератора (ОГ). Эта синхронизация сохраняется при всех дестабилизирующих факторах и в скоростных мобильных устройствах.The proposed communication system is based on the task of creating high-precision and stable synchronization in the operation of two connected UWB radios. To do this, the transmitter of the first radio station emits clock pulses and information signals in each PRD interval, and the receiver of the second radio station receives these signals and adjusts and synchronizes its PRM intervals with the intervals of the PRM at the intervals of the first PRD based on the pulse phase-phase-locked loop (IFAP) accurate to phase. This is possible because the transmitter of the first radio station and the receiver of the second radio station now begin to operate from one reference generator in the first radio station. In the same way, the transmitter and the second radio station emits clock pulses and information signals in each PRD interval, and the receiver of the first radio station receives these signals and, using the DSC of the first radio station, synchronizes its PRM intervals with the intervals from the PRD of the second radio station up to phase. In other words, two IFAPCH synchronous systems are obtained, each operating from its own reference generator (OG). This synchronization is maintained under all destabilizing factors and in high-speed mobile devices.
На фиг.2 представлена блок-схема предлагаемой СШП радиостанции, входящей в систему связи, где обозначено:Figure 2 presents a block diagram of the proposed UWB radio station included in the communication system, where it is indicated:
I - общая часть; II - передающая часть (ПРД); III - приемная часть (ПРМ);I is the general part; II - transmitting part (PRD); III - receiving part (PFP);
1 - буферное устройство передатчика (БУП);1 - transmitter buffer device (BUP);
2 - генератор сверхширокополосных (СШП) импульсов;2 - generator of ultra-wideband (UWB) pulses;
3 - переключатель прием/передача;3 - receive / transmit switch;
4 - широкополосный фильтр (ШПФ);4 - broadband filter (FFS);
5 - антенна;5 - antenna;
6 - малошумящий усилитель (МУ);6 - low noise amplifier (MU);
7 - аттенюатор;7 - attenuator;
8 - делитель мощности на два канала;8 - power divider into two channels;
10 - пороговое устройство канала сигнала;10 - threshold device channel signal;
11 - буферное устройство канала сигнала (БУС);11 —buffer device of a signal channel (BUS);
12 - формирователь порогового напряжения канала сигнала;12 - shaper threshold voltage of the signal channel;
14 - пороговое устройство канала шума;14 - threshold device of the noise channel;
15 - буферное устройство канала шума (БУШ);15 - buffer device noise channel (BUSH);
16 - формирователь порогового напряжения канала шума;16 - shaper threshold voltage of the noise channel;
17 - блок обработки и управления;17 - processing and control unit;
19 - опорный генератор (ОГ);19 - reference generator (OG);
20 - делитель опорной частоты (ДОЧ);20 - reference frequency divider (DOCH);
21 - первый ключ;21 is the first key;
22 - второй ключ;22 - the second key;
23 - третий ключ;23 - the third key;
24 - формирователь ответных синхроимпульсов (ФОС);24 - driver response response pulses (FOS);
25 - делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД);25 - frequency divider with a fixed division ratio (DPCD);
26 - частотно-фазовый детектор (ЧФД);26 - frequency-phase detector (ChFD);
27 - фильтр нижних частот (ФНЧ);27 - low-pass filter (low-pass filter);
28 - генератор, управляемый напряжением (ГУН);28 - voltage-controlled generator (VCO);
29 - делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД);29 - frequency divider with a variable division ratio (DPKD);
30 - микроконтроллер (МК);30 - microcontroller (MK);
31 - цифровая часть синтезатора частот на основе системы ИФАПЧ;31 - digital part of the frequency synthesizer based on the IFAPCH system;
32 - шина управления от МК 30.32 - control bus from MK 30.
Предлагаемое устройство содержит общую I, передающую II и приемную III части, а также введенные блоки для осуществления взаимной синхронизации.The proposed device contains a common I, transmitting II and receiving III parts, as well as input units for mutual synchronization.
Общая часть I приемопередатчика содержит последовательно соединенные переключатель прием/передача 3 и широкополосный фильтр ШПФ 4, вход которого подсоединен к антенне 5.The common part I of the transceiver contains a series-connected switch reception /
Передающая часть II содержит последовательно соединенные буферное устройство передатчика БУП 1 и генератор СШП импульсов 2, выход которого соединен с первым входом переключателя прием/передача 3.The transmitting part II contains a series-connected buffer device of the
Приемная часть III содержит последовательно соединенные малошумящий усилитель МУ 6, аттенюатор 7, делитель мощности на два канала 8, пороговое устройство канала сигнала 10, буферное устройство канала сигнала БУС 11, выход которого соединен с первым входом блока обработки и управления 17; последовательно соединенные пороговое устройство канала шума 14 и буферное устройство канала шума БУШ 15, выход которого соединен со вторым входом блока обработки и управления 17. При этом второй выход делителя мощности на два канала 8 соединен с первым входом порогового устройства канала шума 14, второй вход которого соединен с формирователем порогового напряжения канала шума 16. Кроме того, первый выход блока обработки и управления 17 соединен шиной с входами формирователей порогового напряжения канала сигнала 12, канала шума 16, со вторыми входами аттенюатора 7 и переключателя 3 прием/передача, второй выход которого соединен с входом МУ 6, причем выход формирователя порогового напряжения канала сигнала 12 соединен со вторым входом порогового устройства канала сигнала 10. Второй выход блока обработки и управления 17 соединен с входом БУП 1. Вход-выход блока обработки и управления 17 является информационным входом-выходом.The receiving part III contains a series-connected low-
Кроме того, предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные опорный генератор ОГ 19, ДОЧ 20 и первый ключ 21, выход которого соединен с выходом второго ключа 22 и сигнальным входом ДФКД 25; ФОС 24, первый выход которого соединен с сигнальным входом второго ключа 22, а второй выход соединен с сигнальным входом третьего ключа 23, выход которого соединен со вторым входом ДОЧ 20. При этом вход-выход ФОС 24 шиной соединен с шиной с первого выхода блока управления и обработки 17, с которым также шиной соединены входы управления первого 21, второго 22 и третьего 23 ключей. Предлагаемое устройство также содержит ЦСЧ, состоящий из последовательно соединенных ДФКД 25, ЧФД 26, ФНЧ 27, ГУН 28 и ДПКД 29, выход которого соединен со вторым входом ЧФД 26, при этом второй выход ГУН 28 соединен с третьим входом блока обработки и управления 17, а второй выход ЧФД 26 (выход внутреннего индикатора синхронизма ЦСЧ) соединен с четвертым входом блока обработки и управления 17, пятый вход которого соединен с выходом ОГ 19; а также микроконтроллер МК 30, с первого выхода которого по управляющей шине 32 соединяется с управляющими входами ДФКД 25, ЧФД 26 и ДПКД 29. Второй выход МК 30 по шине «вход-выход» соединен с шиной с первого выхода блока обработки и управления 17.In addition, the proposed device contains a series-connected reference generator OG 19, DOCH 20 and a first key 21, the output of which is connected to the output of the second key 22 and the signal input DFKD 25;
В цифровом синтезаторе частот ЦСЧ на основе системы импульсно-фазовой автоподстройки частоты ИФАПЧ выделенные пунктиром блоки 25, 26 и 29 выполняются в одной микросхеме и представляют собой цифровую часть ЦСЧ 31.In the digital frequency synthesizer of the DSC based on the phase-locked loop phase-locked loop IFAPCH, the dashed blocks 25, 26 and 29 are executed in a single chip and represent the digital part of the DSC 31.
Управляющая шина 32 с первого выхода МК 30 представляет собой стандартный трехпроводный интерфейс, где по трем проводам поступают в последовательном коде импульсные сигналы: 1) тактовые импульсы (ТИ); 2) информационный сигнал (ИНФ); 3) импульс разрешения записи (ИЗ) передаваемой информации в один из блоков: ДПКД 29, ЧФД 26, ДФКД 25. Причем для всех блоков общими проводами являются ТИ и ИНФ, а импульс разрешения записи ИЗ передаваемой информации поступает по отдельному проводу в каждый управляемый блок.The control bus 32 from the first output of the MK 30 is a standard three-wire interface, where the pulse signals are transmitted in the serial code via three wires: 1) clock pulses (TI); 2) information signal (INF); 3) the pulse of recording permission (FROM) of the transmitted information in one of the blocks: DPKD 29, ChFD 26, DFKD 25. Moreover, for all blocks the common wires are TI and INF, and the pulse of recording permission FROM the transmitted information is fed through a separate wire to each controlled block .
Предлагаемая система связи работает следующим образом.The proposed communication system operates as follows.
При включении питания все радиостанции СШП системы связи после сброса и установки в исходное состояние счетчиков, регистров и других цифровых устройств проходят калибровочный цикл СШП приемника, затем переходят в режим приема (ПРМ) и ожидают сигнал вызова.When the power is turned on, all UWB radio stations of the communication system, after resetting and resetting counters, registers, and other digital devices, go through the UWB receiver calibration cycle, then go into receive mode (Rx) and wait for a call signal.
Вхождение в синхронизм, прием и передача информации между радиостанциями осуществляются в соответствующих временных интервалах (временных окнах), которые чередуются следующим образом: ПРМ, ПРД, ПРМ и т.д. (см. временные диаграммы на фиг.3, поясняющие процесс вхождения в синхронизм двух радиостанций СШП связи и последующую их работу).Entering synchronism, receiving and transmitting information between radio stations is carried out in the corresponding time intervals (time windows), which are alternated as follows: PFP, PDR, PFP, etc. (see timing diagrams in figure 3, explaining the process of entering into synchronism of two UWB radio stations and their subsequent operation).
Временные интервалы и соответствующие позиции внутри них формируются в блоке 17 обработки и управления с помощью элементов цифровой техники: регистров сдвига, счетчиков, D-триггеров и т.д. от высокостабильных частот с выхода ЦСЧ (выход ГУН 28) и с выхода ОГ 19. Высокостабильная тактовая частота для работы цифровых устройств приемника с выхода ЦСЧ (точнее со второго выхода ГУН 28) поступает на третий вход блока обработки и управления 17. Высокостабильная тактовая частота для работы цифровых устройств передатчика формируется от ОГ 19, с выхода которого высокая частота поступает на пятый вход блока 17. Также в блоке обработки и управления 17 формируются сигналы лог. «0» и лог. «1» для переключения ключей 21, 22, 23.Time intervals and corresponding positions within them are formed in the processing and
На опорный вход ЦСЧ (вход ДФКД 25) поступает с выхода опорного генератора ОГ 19 через делитель опорной частоты ДОЧ 20 с коэффициентом деления R и замкнутый первый ключ 21 опорная задающая частота FО. При этом второй ключ 22 разомкнут, а управление первым ключом 21 и вторым ключом 22 происходит по шине с первого выхода блока обработки и управления 17. Внутри цифровой части 31 ЦСЧ с выхода ДФКД 25 поток коротких импульсов с частотой сравнения Fcp=FО/R поступает на первый вход ЧФД 26, а на второй его вход поступает поток коротких импульсов с выхода ДПКД 29 с частотой, равной в режиме синхронизма частоте Fcp. В результате сравнения двух потоков импульсов на входах ЧФД 26 по частоте и фазе на первом выходе ЧФД 26 формируется управляющее напряжение Uупр, которое через ФНЧ 27 поступает на управляющий вход ГУН 28 и подстраивает его частоту Fгун по принципу работы кольца ИФАПЧ под опорную FО. Происходит захват частоты FГУН от опорной частоты в кольце ИФАПЧ, в котором устанавливается синхронизм с точностью до фазы опорного сигнала FО согласно формулеAt the reference input CSCh (input DFKD 25) comes from the output of the reference generator OG 19 through the reference frequency divider DOCH 20 with the division ratio R and the closed first key 21 reference setting frequency F O. In this case, the second key 22 is open, and the first key 21 and the second key 22 are controlled via the bus from the first output of the processing and
Ргун=N·FО/R=N·Fср,R gun = N · F O / R = N · F cf
где N - коэффициент деления ДПКД 29,where N is the division coefficient of the DPKD 29,
R - коэффициент деления ДФКД 25,R is the division coefficient DFKD 25,
FO - опорная частота на входе ДФКД 25.F O - reference frequency at the input DFKD 25.
Синхронизм с точностью до фазы в кольце ИФАПЧ цифрового синтезатора частот обеспечивается в основном из-за применения цифрового частотно-фазового детектора (ЧФД) с тремя состояниями и петлевого ФНЧ с использованием интегратора на операционном усилителе. Такой цифровой ЧФД имеется почти во всех современных микросхемах ЦСЧ на основе кольца ИФАПЧ (например, микросхемы LMX2364, LMX2470 фирмы National Semiconductor, микросхемы ADF4252, ADF4001 фирмы Analog Devices и другие).Synchronism with an accuracy of up to a phase in the IFAP ring of a digital frequency synthesizer is provided mainly due to the use of a digital frequency-phase detector (PFD) with three states and a loop low-pass filter using an integrator on an operational amplifier. Such a digital PFD is available in almost all modern DSC chips based on the IFAP ring (for example, LMX2364, LMX2470 chips from National Semiconductor, ADF4252, ADF4001 from Analog Devices and others).
В результате установления синхронизма в синтезаторе частот формируется сигнал синхронизма ЦСЧ с уровнем лог. «1» на втором выходе ЧФД 26 (выход индикатора синхронизма).As a result of the establishment of synchronism in the frequency synthesizer, a synchronism signal of the DSC with a log level is formed. “1” at the second output of the BPF 26 (synchronism indicator output).
Индикаторы синхронизма обычно входят в состав ЧФД микросхем ЦСЧ (например, в микросхеме синтезатора частот ADF4001 фирмы Analog Devices) и бывают двух типов: цифровой и аналоговый. Если нет синхронизма в кольце ИФАПЧ, на котором построен ЦСЧ, то на выходе индикатора синхронизма формируется сигнал лог. «0». Со второго выхода ЧФД 26 сигнал синхронизма с уровнем лог. «1» поступает на четвертый вход блока обработки и управления 17 и разрешает его работу.Synchronism indicators are usually part of the ChFD of the DSC chips (for example, in the ADF4001 frequency synthesizer chip from Analog Devices) and are of two types: digital and analog. If there is no synchronism in the IFAPCH ring on which the DSC is built, then a log signal is generated at the output of the synchronism indicator. "0". From the second output of the BFD 26, a synchronism signal with a log level “1” enters the fourth input of the processing and
В режиме передачи коротких импульсов информация, поступающая на «вход-выход» блока 17, кодируется в последовательность импульсов, которые со второго выхода блока 17 через БУП 1 запускают генератор СШП импульсов 2. Эти короткие СШП импульсы поступают через переключатель 3 прием/передача и ШПФ 4 в антенну 5, которая излучает сигнал в эфир.In the mode of transmission of short pulses, the information supplied to the “input-output” of
В режиме приема сигнал, принимаемый антенной 5, проходит через ШПФ 4 и переключатель 3 на вход МУ 6, где усиливается и поступает через аттенюатор 7 и делитель 8 мощности на два канала - канал сигнала и канал шума. Один канал служит для приема сигнала, второй канал - для оценки уровня внешних шумов и сигналов переотражений от препятствий, расположенных на пути распространения СШП сигнала. Прием в сигнальном и шумовом каналах осуществляется в соответствующих временных окнах (временных интервалах). Основу каждого канала составляет чувствительное пороговое устройство канала сигнала 10 и чувствительное пороговое устройство канала шума 14. На вторые входы пороговых устройств канала сигнала 10 и канала шума 14 поступают напряжения соответственно с формирователя порогового напряжения канала сигнала 12 и формирователя порогового напряжения канала шума 16. В результате сравнения принятых сигналов и шумов с соответствующими пороговыми напряжениями на выходах пороговых устройств 10 и 14 формируются сигналы, которые через соответствующие буферные устройства БУС 11 и БУШ 15 поступают в блок обработки и управления 17, где анализируются отклонения от пороговых напряжений, принимаемый сигнал и принимаемые шумы. В зависимости от результатов обработки осуществляется регулировка приемной части III путем подстройки порогов формирователями порогового напряжения канала сигнала 12 и канала шума 16. Регулировка динамического диапазона приемной части производится с помощью аттенюатора 7 по сигналу, поступающему по шине с первого выхода блока обработки и управления 17.In reception mode, the signal received by
Таким образом, перед началом работы осуществляется калибровка приемной части по внешним шумам так же, как и в прототипе.Thus, before starting work, the receiver is calibrated for external noise in the same way as in the prototype.
После прохождения калибровочного цикла обе радиостанции переходят в режим ПРМ и ожидают сигнала вызова.After passing the calibration cycle, both radio stations go into PFP mode and wait for a call signal.
Пусть первая радиостанция в момент времени t1 (см. временные диаграммы на фиг.3) начинает работу, переходит в режим ПРД, формирует и излучает в конце интервала ПРД (t2) для второй радиостанции сигнал вызова, состоящий, например, из 6 коротких импульсов.Let the first radio station at time t 1 (see time diagrams in Fig. 3) start operation, switch to the Tx mode, generate and emit at the end of the Tx interval (t 2 ) for the second radio station a call signal consisting, for example, of 6 short pulses.
Во второй радиостанции после приема сигнала вызова в блоке обработки и управления 17 выделяется одиночный импульс вызова с помощью мажоритарной схемы для получения большей достоверности.In the second radio station, after receiving the call signal in the processing and
Мажоритарная схема может быть построена на соответствующих микросхемах. Например, микросхема КР1533ЛПЗ представляет собой строенный мажоритарный элемент и применяется для повышения надежности и помехозащищенности аппаратуры. Логическое состояние выхода микросхемы определяется совпадающим состоянием любых двух входов из трех (см. И.И.Петровский и др. «Логические ИС КР1533, КР1554» Справочник. В двух частях. Часть 2, стр.283. Москва, Бином, 1993 г.).The majority scheme can be built on the appropriate microcircuits. For example, the KR1533LPZ microcircuit is a built-up majority element and is used to increase the reliability and noise immunity of the equipment. The logical state of the output of the microcircuit is determined by the coincident state of any two of the three inputs (see I.I. Petrovsky et al. “Logic ICs KR1533, KR1554” Reference. In two parts.
Логическая схема с набором таких мажоритарных элементов позволяет сделать устройство, например, для пяти или шести входов из семи и т.д.A logic circuit with a set of such majority elements allows you to make a device, for example, for five or six inputs of seven, etc.
При неблагоприятной обстановке (дальняя связь, недостаточная мощность передатчика, помехи) не все 6 импульсов сигнала вызова могут быть обнаружены. Тогда должна включаться мажоритарная схема, с помощью которой может быть выделен импульс синхронизации, если поступят 4 или 5 импульсов. Оптимальный вариант, когда поступает 5 импульсов. Если поступает 4 импульса, то мощность передатчика недостаточна и затем необходимо передать команду на увеличение мощности. Если поступают все 6 импульсов, то мощность передающей радиостанции избыточна и затем необходимо передать команду на уменьшение мощности для того, чтобы повысить скрытность передачи.Under adverse conditions (long-distance communication, insufficient transmitter power, interference), not all 6 pulses of the call signal can be detected. Then the majority scheme should be turned on, with which a synchronization pulse can be allocated if 4 or 5 pulses arrive. The best option when 5 pulses arrive. If 4 pulses are received, then the transmitter power is insufficient and then it is necessary to transmit a command to increase the power. If all 6 pulses are received, then the power of the transmitting radio station is excessive and then it is necessary to transmit a command to reduce power in order to increase the stealth of transmission.
Во второй радиостанции после прихода импульса вызова с выхода мажоритарной схемы блока обработки и управления 17 в момент времени t3 (см. временные диаграммы на фиг.3) начинается интервал ПРД стандартный до момента времени t4, в конце которого посылается сигнал ответа для первой радиостанции тоже из 6 импульсов. Иначе говоря, импульс вызова с первой радиостанции дает «старт» новому интервалу ПРД во второй радиостанции и таким образом происходит выравнивание интервалов двух радиостанций без учета времени распространения радиосигналов.In the second radio station, after the call pulse arrives from the output of the majority circuit of the processing and
А после этого интервала ПРД во второй радиостанции с момента времени t4 начинается стандартный интервал ПРМ.And after this PRD interval in the second radio station, from the moment of time t 4 , the standard PFP interval begins.
Сигнал ответа со второй радиостанции поступает на первую радиостанцию в момент времени t5 в интервал ПРМ и с помощью мажоритарной схемы выделяется из этого сигнала ответа один ответный импульс. Это означает, что во второй радиостанции в блоке 17 от принятого сигнала вызова произошло выравнивание начала и окончания интервалов ПРМ и ПРД относительно первой радиостанции без учета задержки на время прохождения радиосигналов, т.е. произошла предварительная синхронизация между двумя радиостанциями. Если ожидаемый сигнал ответа не поступил на первую радиостанцию, тогда повторяется сигнал вызова (t7) до поступления ответного сигнала.The response signal from the second radio station arrives at the first radio station at time t 5 in the PFP interval and, using the majority scheme, one response pulse is extracted from this response signal. This means that in the second radio station, in
После этого, для более точной синхронизации и непрерывной коррекции (слежения) начала и окончания каждого интервала, опорный вход ЦСЧ первой радиостанции переключается с местного делителя опорной частоты ДОЧ 20 от местного опорного генератора ОГ 19 на опорный сигнал, формируемый от ответного сигнала второй радиостанции (t8-t9) в ФОС 24. Для этого сначала проверяется достоверность полученных в ФОС 24 по шине «вход-выход» синхросигналов с шины от первого выхода блока обработки и управления 17. После установления в ФОС 24 соответствия ответных синхросигналов опорным сигналам от ДОЧ 20 посылается от ФОС 24 по шине «вход-выход» на шину с первого выхода блока 17 сигнал, разрешающий поступление от блока обработки и управления 17 команды на переключение ключей 21 и 22. В результате на опорный вход ДФКД 25 ЦСЧ теперь поступают синхроимпульсы с первого выхода ФОС 24 и все дальнейшие интервалы в приемнике первой радиостанции и все интервалы в передатчике второй радиостанции теперь формируются от одного ОГ 19 во второй радиостанции.After that, for more accurate synchronization and continuous correction (tracking) of the beginning and end of each interval, the reference input of the central frequency converter of the first radio station is switched from the local reference frequency divider DOCH 20 from the local reference generator OG 19 to the reference signal generated from the response signal of the second radio station (t 8 -t 9 ) in
Точно также опорный вход ЦСЧ второй радиостанции переключается с местного делителя опорной частоты ДОЧ 20 от местного ОГ 19 на опорный сигнал, формируемый от первой радиостанции (t9-t10) в ФОС 24.Similarly, the reference input of the DSC of the second radio station is switched from the local divider of the reference frequency DOCH 20 from the local exhaust gas 19 to the reference signal generated from the first radio station (t 9 -t 10 ) in
В результате все дальнейшие интервалы в приемнике второй радиостанции и все интервалы в передатчике первой радиостанции теперь формируются от одного опорного генератора ОГ 19 в первой радиостанции.As a result, all further intervals in the receiver of the second radio station and all intervals in the transmitter of the first radio station are now formed from one reference generator OG 19 in the first radio station.
Таким образом, между радиостанциями после переключения опорных частот ЦСЧ устанавливается полный синхронизм с точностью до фазы и любые изменения синхроимпульсов и информационных импульсов в передатчике одной радиостанции точно повторяются на выходе приемника другой радиостанции (происходит захват и слежение в системе ИФАПЧ).Thus, between radio stations after switching the reference frequencies of the DSC, complete synchronism is established up to a phase and any changes in clock pulses and information pulses in the transmitter of one radio station are exactly repeated at the output of the receiver of another radio station (capture and tracking in the IFAPC system).
Переключение опорных частот ЦСЧ происходит следующим образом.Switching reference frequencies CSCH is as follows.
После выравнивания временных интервалов в первой радиостанции относительно второй в блоке ФОС 24 первой радиостанции проверяется достоверность сформированных от ответного сигнала синхроимпульсов (по мажоритарной схеме), которые должны поступить на опорный вход ДФКД 25 через ключ 22, вместо опорных импульсов с ДОЧ 20, поступающих через ключ 21. Если достоверность этих импульсов установлена, то посылается определенный сигнал от ФОС 24 по шине «вход-выход» в блок обработки и управления 17, чтобы с первого выхода блока обработки и управления 17 по шине мог поступить сигнал отключения ключа 21, через который поступал опорный сигнал от ДОЧ 20, и включения ключа 22, через который теперь будет поступать опорный сигнал от ФОС 24. Поскольку сформированные ответные синхроимпульсы с ФОС 24 и действующие в это время опорные импульсы с ДОЧ 20 могут немного не совпадать по фазе (см. временные диаграммы на фиг.4, моменты времени t2-t4), то переключение этих потоков импульсов может привести к нежелательному броску управляющего напряжения на выходе ЧФД 26 и соответственно выходной частоты ГУН 28 синтезатора частот. Чтобы исключить ненужный бросок частоты ЦСЧ, переключение этих опорных импульсов происходит в следующей последовательности (см. временные диаграммы на фиг.4).After equalization of time intervals in the first radio station with respect to the second in the
Сначала, по шине с первого выхода блока обработки и управления 17 на шину «вход-выход» МК 30, посылается сигнал, по которому с выхода МК 30 по его управляющей шине 32 поступает на ЦСЧ сигнал лог. «1», который переводит микросхему ЦСЧ (например, микросхему ADF4001 фирмы Analog Devices) в режим синхронного Power-Down, т.е. в пассивный энергосберегающий режим. При этом генератор тока (charge pump) в ЧФД 26 цифрового синтезатора частот переключается в третье состояние, характеризующееся тем, что выход ЧФД внутри микросхемы отключается от всех цепей и его сопротивление становится очень большим (→ ∞).First, on the bus from the first output of the processing and
В результате управляющее напряжение на входе ГУН 28 ЦСЧ сохраняется неизменным и частота на выходе ГУН 28 остается без изменения, хотя кольцо ИФАПЧ разорвано.As a result, the control voltage at the VCO 28 VSC input remains unchanged and the frequency at the VCO 28 output remains unchanged, although the IFAPC ring is broken.
Кроме того, одновременно делители частот ДФКД 25 и ДПКД 29 сигналом лог. «1» с выхода МК 30 переключаются в состояние «сброса».In addition, at the same time frequency dividers DFKD 25 and DPKD 29 signal log. “1” from the output of MK 30 switches to the “reset” state.
Затем с МК 30 по шине «вход-выход» посылается в блок обработки и управления 17 обратный сигнал, по которому разрешается от блока 17 переключение ключей 21 и 22 так, чтобы теперь опорный сигнал поступал на ДФКД 25 ЦСЧ через замкнутый ключ 22 от ФОС 24, а ключ 21 был разомкнут. Тогда на вход ДФКД 25 будет приходить поток импульсов от ФОС 24, фаза которых немного сдвинута относительно фазы импульсов с выхода ДОЧ 20 и соответственно относительно фазы импульсов с выхода ДПКД 29 (см. фиг.4, моменты времени t3-t4).Then, with MK 30, an inverse signal is sent to the processing and
После переключения ключей 21 и 22 микроконтроллер МК 30 по шине 32 управления цифровой части ЦСЧ 31 (первая шина) подает сигнал лог. «0», который переключает ЦСЧ из режима синхронного Power-Down в нормальный режим и счетчики ДФКД 25 и ДПКД 29 начинают одновременный (синхронный) счет входных импульсов (см. фиг.4, моменты времени t4-t7). Иначе говоря, дан общий «старт» делителям ДПКД 29 и ДФКД 25. Теперь импульсы с ДПКД 29 подстроились по фазе с импульсами от ДФКД 25, сформированными от ФОС 24. В этом случае с переключением источников опорных частот на входе ЦСЧ исключается бросок частоты на выходе ГУН 29.After switching the keys 21 and 22, the microcontroller MK 30 on the control bus 32 of the digital part of the digital clock system 31 (the first bus) gives a log signal. "0", which switches the DSC from synchronous Power-Down mode to normal mode and the DFKD 25 and DPKD 29 counters start a simultaneous (synchronous) count of input pulses (see Fig. 4, time instants t 4 -t 7 ). In other words, a general “start” has been given to the dividers DPKD 29 and DFKD 25. Now the pulses from the DPKD 29 are phase-locked with pulses from DFKD 25 generated from
Затем начинается рабочий режим обмена информацией и только после этого по команде с первого выхода блока 17 включается третий ключ 23, разрешающий прохождение ответных синхроимпульсов с ФОС 24 на вход сброса ДОЧ 20 (см. фиг.4, моменты времени t6-t7).Then, the working mode of information exchange begins, and only after this, at the command from the first output of
В результате на выходе местного ДОЧ 20 и на выходе ФОС 24 образуются опорные импульсы одинаковой частоты и одинаковой фазы, что позволяет в любой момент при необходимости мгновенно переводить синтезатор частот на опорный сигнал от местного опорного генератора и сохранить синхронность и синфазность в работе двух радиостанций.As a result, the reference pulses of the same frequency and the same phase are formed at the output of the local DOCH 20 and at the output of the
Точно также, во второй радиостанции после поступления синхроимпульсов с ФОС 24 на опорный вход местного ЦСЧ, эти синхроимпульсы начинают поступать на вход сброса местного делителя опорной частоты ДОЧ 20.In the same way, in the second radio station, after the clock pulses from
В результате во второй радиостанции на выходе местного ДОЧ 20 и на выходе ФОС 24 образуются потоки синхроимпульсов одинаковой частоты и одинаковой фазы, что также позволяет в любой момент при необходимости мгновенно переключить синтезатор частот второй радиостанции на опорный сигнал от местного опорного генератора ОГ 19 и сохранить синхронность и синфазность в работе двух радиостанций.As a result, in the second radio station, at the output of the local DOCH 20 and at the output of the
В случае потери сигнала (отсутствие импульсов в сигнальном окне) система связи выходит из рабочего режима и переходит в режим калибровки и поиска сигнала.In the event of a signal loss (no pulses in the signal window), the communication system leaves the operating mode and switches to the calibration and signal search mode.
Возможность осуществления работы предлагаемого устройства определяется тем, что вводимые блоки типовые и могут быть выполнены на широко известной элементной базе. Высокочастотные ключи могут быть выполнены на основе микросхемы HEF4066B фирмы Philips Semiconductors. В качестве синтезаторов частот могут использоваться быстродействующие ЦСЧ на основе системы ИФАПЧ (см., например, патент на изобретение №2379830 от 28.10.2008 г.). Цифровая часть ЦСЧ выполняется на микросхеме ADF4001 фирмы Analog Devices. Микроконтроллер типа C8051F220 фирмы SILABS (CYGNAL) используется для управления соответствующими блоками синтезатора частот.The ability of the proposed device to work is determined by the fact that the input units are typical and can be performed on a well-known element base. High-frequency keys can be made based on the HEF4066B chip from Philips Semiconductors. As frequency synthesizers, high-speed DSCs based on the IFAPH system can be used (see, for example, patent for invention No. 2379830 dated 10.28.2008). The digital part of the DSC is performed on an ADF4001 chip from Analog Devices. A microcontroller type C8051F220 manufactured by SILABS (CYGNAL) is used to control the corresponding blocks of the frequency synthesizer.
Таким образом, предлагаемая система связи СШП сигналами по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами.Thus, the proposed communication system UWB signals in comparison with the prototype has the following advantages.
1. Повышено быстродействие при вхождении в синхронизм между двумя радиостанциями, т.к. в приемнике отсутствует длительный процесс поиска временным сигнальным окном входного СШП импульса.1. Improved performance when entering synchronism between two radio stations, because the receiver does not have a lengthy search process with a temporary signal window for an input UWB pulse.
2. Синхронизация между передатчиком одной радиостанции и приемником другой радиостанции происходит с точностью до фазы, т.к. все интервалы, позиции внутри интервалов, а также короткие импульсы СШП связи в середине этих позиций формируются от одного опорного генератора на передающей стороне канала связи. Иначе говоря, это наиболее полная синхронизация на основе синфазных систем, обеспечивает принципиально более высокую стабильность и точность эксплуатационных параметров системы связи.2. Synchronization between the transmitter of one radio station and the receiver of another radio station occurs with an accuracy of phase, because all intervals, positions within the intervals, as well as short UWB communication pulses in the middle of these positions are formed from one reference generator on the transmitting side of the communication channel. In other words, this is the most complete synchronization based on common-mode systems; it provides fundamentally higher stability and accuracy of the operational parameters of the communication system.
3. Полная синхронизация с точностью до фазы от одного опорного генератора позволяет избавиться от необходимости использования прецизионных кварцевых генераторов и дает возможность работы со сверхскоростными мобильными объектами связи.3. Full synchronization with an accuracy of up to a phase from one reference oscillator eliminates the need to use precision quartz oscillators and makes it possible to work with ultra-high-speed mobile communication objects.
4. По сравнению с прототипом предлагаемая система связи обладает более высокой помехоустойчивостью и надежностью как при вхождении в синхронизм, так и при передачи информации из-за использования позиционно-интервального кодирования и мажоритарных схем для выделения синхроимпульсов и информационных сигналов.4. Compared with the prototype, the proposed communication system has a higher noise immunity and reliability both when entering synchronism and when transmitting information due to the use of position-interval coding and majority schemes to isolate clock pulses and information signals.
5. Использование мажоритарных схем для выделения синхроимпульсов помогает не только повысить точность и стабильность синхронизации, но и позволяет гибко регулировать выходную мощность передатчика для обеспечения помехозащищенности и оптимального энергопотребления, а также для повышения скрытности передачи.5. The use of majority schemes for the allocation of clock pulses not only helps to increase the accuracy and stability of synchronization, but also allows you to flexibly adjust the output power of the transmitter to ensure noise immunity and optimal power consumption, as well as to increase the secrecy of transmission.
Кроме того, импульсная СШП система связи, основанная на передаче сверхкоротких одиночных импульсов, следующих друг за другом с большой переменной скважностью (20-1000), позволяет получить шумоподобный, сверхширокополосный (до десятка ГГц) спектр излучаемого сигнала с низким уровнем спектральных составляющих, которые не влияют на работоспособность в общей полосе частот других радиотехнических систем.In addition, a pulsed UWB communication system based on the transmission of ultrashort single pulses following each other with a large variable duty cycle (20-1000), allows to obtain a noise-like, ultra-wideband (up to ten GHz) spectrum of the emitted signal with a low level of spectral components that are not affect the performance in the common frequency band of other radio systems.
Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений не известны ни способы, ни устройства, позволяющие осуществить синхронизацию между импульсными СШП радиостанциями с точностью до фазы и стабильно поддерживать эту синхронизацию при воздействии различных неблагоприятных условий и в скоростных мобильных устройствах.The proposed technical solution is new, because neither public methods nor devices are known that allow synchronization between pulse UWB radios with phase accuracy and to stably maintain this synchronization under the influence of various adverse conditions and in high-speed mobile devices.
Источники информацииInformation sources
1. US 2003/0067963 A1 Mode Controller For Signal Acquisition And Tracking In Ultra Wide Band Communication System. Timothy R.Miller, Gerard P.Lynch, Deepak M.Joseph. 10.04.2003.1. US 2003/0067963 A1 Mode Controller For Signal Acquisition And Tracking In Ultra Wide Band Communication System. Timothy R. Miller, Gerard P. Lynch, Deepak M. Joseph. 04/10/2003.
2. US 6925109 «Method and system for fast acquisition of ultra-wideband signals». James L.Richards, Mark D.Roberts. 02.08.2005.2. US 6925109 "Method and system for fast acquisition of ultra-wideband signals". James L. Richards, Mark D. Roberts. 08/02/2005.
3. I.J.Immoreev, A.A.Sudakov, "Ultra-Wideband Interference Resistant System for Secure Radio Communication with High Data Rate", ICCSC′02, St. Petersburg, Russian Federation, June 2002, pp.230-233.3. I.J. Immmoreev, A.A. Sudakov, "Ultra-Wideband Interference Resistant System for Secure Radio Communication with High Data Rate", ICCSC′02, St. Petersburg, Russian Federation, June 2002, pp. 230-233.
4. И.Я.Иммореев, A.A.Судаков, «Сверхширокополосная помехоустойчивая система скрытой связи с высокой скоростью передачи данных». Сборник докладов Всероссийской научной конференции. Муром, 1-3 июля 2003 г. - Муром: Изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2003 г., стр.435-440.4. I.Ya. Immoreev, A.A. Sudakov, “Ultra-wideband noise-immunity system of covert communications with a high data transfer rate”. Collection of reports of the All-Russian Scientific Conference. Murom, July 1-3, 2003 - Murom: Publishing house-printing center MI VlSU, 2003, pp. 435-440.
5. RU №2354048. Способ и система связи с быстрым вхождением в синхронизм сверхширокополосными сигналами. Кыштымов Г.А., Бондаренко В.В. и др. Опубликовано 27.04.2009 г. Бюл. №12.5. RU No. 2354048. Method and communication system with fast entry into synchronism by ultra-wideband signals. Kyshtymov G.A., Bondarenko V.V. et al. Published on April 27, 2009 Byul. No. 12.
6. И.И.Петровский и др. «Логические ИС КР1533, КР1554» Справочник. В двух частях. Москва, Бином, 1993 г.6. I.I. Petrovsky et al. “Logical ICs KR1533, KR1554” Reference. In two parts. Moscow, Binom, 1993
7. Голуб В.С. Новые синтезаторы частот серии ADF4xxx. // Chip News. 2002. №4, С.20-23.7. Golub V.S. New frequency synthesizers of the ADF4xxx series. // Chip News. 2002. No. 4, S.20-23.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010119288/08A RU2441320C1 (en) | 2010-05-13 | 2010-05-13 | System of communication by ultrabroadband signals with increased accuracy and stability of synchronisation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010119288/08A RU2441320C1 (en) | 2010-05-13 | 2010-05-13 | System of communication by ultrabroadband signals with increased accuracy and stability of synchronisation |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2010119288A RU2010119288A (en) | 2011-11-27 |
RU2441320C1 true RU2441320C1 (en) | 2012-01-27 |
Family
ID=45317409
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010119288/08A RU2441320C1 (en) | 2010-05-13 | 2010-05-13 | System of communication by ultrabroadband signals with increased accuracy and stability of synchronisation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2441320C1 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2693814C1 (en) * | 2018-04-11 | 2019-07-04 | Войсковая часть 13991 | Method of monitoring prelaunch preparation of strategic missiles |
RU199228U1 (en) * | 2019-12-24 | 2020-08-24 | Акционерное общество "Воронежский научно-исследовательский институт "Вега" (АО "ВНИИ "Вега") | Arbitrary waveform detection device for single ultra-wideband quasi-radio signal |
RU2731207C1 (en) * | 2019-12-02 | 2020-08-31 | Акционерное общество "Концерн "Созвездие" | Method for increasing processing efficiency of ultra-wideband short pulse signals at a receiving side |
RU2756974C1 (en) * | 2020-10-09 | 2021-10-07 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ") | Apparatus for detecting an incoherent sequence of ultra-wideband quasi-radio signals of arbitrary waveform |
RU2797983C1 (en) * | 2022-09-21 | 2023-06-13 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Ultra-wideband radio communication device |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2083995C1 (en) * | 1994-12-27 | 1997-07-10 | Центральный научно-исследовательский институт "Гранит" | Radar set |
WO1997030523A1 (en) * | 1996-02-16 | 1997-08-21 | Northern Telecom Limited | A dual-mode radio architecture |
RU2117399C1 (en) * | 1995-08-22 | 1998-08-10 | Омский научно-исследовательский институт приборостроения | Ultra long range radio navigation and communication system |
RU2313178C2 (en) * | 2005-05-03 | 2007-12-20 | Открытое акционерное общество "Концерн "Созвездие" | Operating-frequency hopping radio communication device |
WO2009096145A1 (en) * | 2008-01-29 | 2009-08-06 | Panasonic Corporation | Radio communication device, radio communication system, and radio communication method |
-
2010
- 2010-05-13 RU RU2010119288/08A patent/RU2441320C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2083995C1 (en) * | 1994-12-27 | 1997-07-10 | Центральный научно-исследовательский институт "Гранит" | Radar set |
RU2117399C1 (en) * | 1995-08-22 | 1998-08-10 | Омский научно-исследовательский институт приборостроения | Ultra long range radio navigation and communication system |
WO1997030523A1 (en) * | 1996-02-16 | 1997-08-21 | Northern Telecom Limited | A dual-mode radio architecture |
RU2313178C2 (en) * | 2005-05-03 | 2007-12-20 | Открытое акционерное общество "Концерн "Созвездие" | Operating-frequency hopping radio communication device |
WO2009096145A1 (en) * | 2008-01-29 | 2009-08-06 | Panasonic Corporation | Radio communication device, radio communication system, and radio communication method |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2693814C1 (en) * | 2018-04-11 | 2019-07-04 | Войсковая часть 13991 | Method of monitoring prelaunch preparation of strategic missiles |
RU2731207C1 (en) * | 2019-12-02 | 2020-08-31 | Акционерное общество "Концерн "Созвездие" | Method for increasing processing efficiency of ultra-wideband short pulse signals at a receiving side |
RU199228U1 (en) * | 2019-12-24 | 2020-08-24 | Акционерное общество "Воронежский научно-исследовательский институт "Вега" (АО "ВНИИ "Вега") | Arbitrary waveform detection device for single ultra-wideband quasi-radio signal |
RU2756974C1 (en) * | 2020-10-09 | 2021-10-07 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ") | Apparatus for detecting an incoherent sequence of ultra-wideband quasi-radio signals of arbitrary waveform |
RU2797983C1 (en) * | 2022-09-21 | 2023-06-13 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Ultra-wideband radio communication device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2010119288A (en) | 2011-11-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Alemdar et al. | RFClock: Timing, phase and frequency synchronization for distributed wireless networks | |
US6275544B1 (en) | Baseband receiver apparatus and method | |
US8184038B2 (en) | Two-way ranging with inter-pulse transmission and reception | |
US8711032B2 (en) | High-resolution, active reflector radio frequency ranging system | |
AU772256B2 (en) | Multi-mode communications system with efficient oscillator synchronization | |
US8351560B2 (en) | Phase interpolator based transmission clock control | |
EP2974074B1 (en) | Precision array processing using semi-coherent transceivers | |
RU2354048C1 (en) | Method and communication system with fast acquisition by ultra-wideband signals | |
Hu et al. | A 90 nm-CMOS, 500 Mbps, 3–5 GHz fully-integrated IR-UWB transceiver with multipath equalization using pulse injection-locking for receiver phase synchronization | |
US11570709B2 (en) | BLE and/or WiFi compliant and blocker-resilient wake-up receiver and method | |
US10969457B2 (en) | Receiver-system | |
RU2441320C1 (en) | System of communication by ultrabroadband signals with increased accuracy and stability of synchronisation | |
CN102326443A (en) | Systems and methods for PCO-based UWB impulse radios with localized synchronization detection and maintenance | |
US7170965B2 (en) | Low noise divider module for use in a phase locked loop and other applications | |
JP2014132263A (en) | Wireless communication system | |
RU2433532C1 (en) | Method of communication by ultra-wideband signals with high stability of synchronisation | |
Marshall et al. | A UWB pulse with precursor for ToA measurement | |
Zhao et al. | Research on synchronization technology of frequency hopping communication system | |
CN115361064A (en) | Automatic alignment method for synchronizing signals of multi-channel optical fiber data transmission | |
Guermandi et al. | A 1 V 250 kpps 90 nm CMOS pulse based transceiver for cm-range wireless communication | |
Chiueh et al. | A 6-Gb/s adaptive-loop-bandwidth clock and data recovery (CDR) circuit | |
CN119094077B (en) | Electronic countermeasure system integrating receiving and transmitting | |
Sayilir et al. | Collaborative beamforming in wireless sensor networks | |
EP3783803B1 (en) | Clock data recovery apparatus, optical module and optical line terminal | |
Katsurai et al. | 10.3-Gb/s burst-mode CDR with idle insertion and digital calibration in 40-nm CMOS for 10G-EPON systems |