Станция технического контроля сигналов линий связи

 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для контроля параметров сигналов функционирующих и вновь создаваемых линий связи. Технический результат заключается в повышении достоверности передачи за счет использования помехоустойчивого кодирования. Для этого в станцию введены устройство высокоскоростного ввода для накопления информации в жестком магнитном диске персональной ЭВМ в режиме прямой записи и DBV-карта. 3 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для контроля параметров сигналов как функционирующих, так и вновь создаваемых линий связи.

В процессе эксплуатации и создания новых линий связи приходится решать ряд сложных технических задач, таких как:

определение зон доступности при работе как с глобальными, так и узконаправленными лучами;

отношение сигнал/шум в разных зонах доступности;

вероятность искажения символов в зонах доступности;

выбор вида доступа к ретранслятору;

выбор типа помехоустойчивого кодирования/декодирования;

выбор типа скремблирующей последовательности;

выбор типа перемежения/деперемежения;

выбор типа модуляции и т.п.

В настоящее время большинство систем связи перешло на цифровые методы передачи информации. При этом в зависимости от назначения системы связи используются различные преобразования сигналов на передающей стороне.

Для доступа к ретранслятору и формирования групповых сигналов используются:

многостанционный доступ на основе частотного разделения - МДЧР (75% линий связи);

многостанционный доступ на основе кодового разделения - МДКР (5% линий связи);

многостанционный доступ на основе временного разделения - МДВР (20% линий связи);

цифровое телевидение (ЦТВ).

Для обеспечения высокой достоверности передачи информации используется помехоустойчивое кодирование/декодирование с различными структурами кодов. Для устойчивой работы символьных синхронизаторов в паузах между сигналами на передающей стороне сигнал скремблируется (суммируется с псевдослучайной последовательностью). Для исключения групповых ошибок сигнал перемежается/деперемежается.

Для передачи определенного объема информации в заданной полосе частот используются фазовые виды модуляции различной кратности (2ФМ, 4ФМ, 4ФМС, 8ФМ, КАМ16...256). Как видим, сигналы линий связи имеют довольно сложную структуру.

В настоящее время зоны доступности, отношение сигнал/шум, вероятность искажения символов рассчитываются теоретически и затем корректируются при вводе линий связи в эксплуатацию, т.е. функции станции технического контроля выполняет приемная часть аппаратуры линий связи.

Как правило, при создании передающей аппаратуры линий связи проблем не возникает. Основные проблемы возникают при создании приемной аппаратуры:

выбор места расположения приемных станций;

выбор диаметра зеркала антенн приемных станций;

определение отношения сигнал/шум на входе демодулятора приемной станции;

определение вероятности искажения символов;

определение искажения сигнала на трассе распространения: передающая станция-ретранслятор - приемная станция.

В связи с использованием в линиях связи вышеперечисленных видов доступа (МДЧР, МДКР, МДВР и ЦТВ) для определения параметров сигналов в точке приема необходимо иметь соответственно четыре типа приемных станций контроля.

Каждая из этих станций содержит в своем составе антенную систему, малошумящий усилитель (МШУ), преобразователь частоты, радиоприемное устройство (РПУ), блок оптимальной фильтрации, демодулирующие устройства, устройства синхронизации и обработки групповых цифровых потоков, персональную электронно-вычислительную машину (ПЭВМ) с программным обеспечением (ПО).

В результате при построении приемных станций для каждого вида доступа создается избыточность дорогостоящей контрольной аппаратуры.

Таким образом, напрашивается вопрос о создании универсальной станции технического контроля сигналов линий связи.

Предпосылками для постановки такой цели являются следующие факторы:

в линиях связи с МДЧР, МДКР, МДВР и ЦТВ передаются однотипные сигналы: телефон (ТЛФ), телеграф (ТЛГ), фототелеграф (ФТЛГ), передача данных (ПД), видеоизображение, которые формируются в групповые цифровые потоки того или иного уровня иерархического уплотнения;

групповые потоки во всех видах доступа подвергаются помехоустойчивому кодированию и скремблированию;

высокая стоимость антенных установок, МШУ и РПУ, а также аппаратура демодуляции и обработки цифровых потоков.

В [3] предложен вариант построения станции контроля сигналов линий связи, взятой за прототип. Станция содержит последовательно соединенные приемную антенну с системой наведения, МШУ, РПУ, блок оптимальной фильтрации с коррекцией амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и группового времени запаздывания (ГВЗ), разветвитель, первый коммутатор, когерентный фазовый демодулятор сигналов с МДЧР. При этом второй выход разветвителя подключен ко входу демодулятора сигналов МДВР, третий выход разветвителя подключен ко входу преобразователя сигналов МДКР в МДЧР, выход кадрового синхронизатора с выделителем произвольного пакета подключен ко вторым входам второго коммутатора, а выход преобразователя МДКР в МДЧР подключен ко второму входу первого коммутатора. Функциональная схема станции-прототипа приведена на фиг.3. Станция обеспечивает контроль сигналов с видами доступа МДЧР, МДВР, МДКР.

Недостатками станции-прототипа являются невозможность контроля сигналов перспективного цифрового телевидения, избыточность аппаратных средств, трудность создания накопительного буфера на высокие скорости передачи информации (160 мбит/с) и большой емкости (≥10 Гбайт), невозможность оптимальной обработки цифровых потоков программными средствами с помощью ПЭВМ, в частности таких операций, как помехоустойчивое декодирование систематических и несистематических сверточных кодов по алгоритмам ФАНО и Витерби с “мягким” решением.

Необходимость накопления больших массивов цифровых потоков вызвана сверхсложной структурой используемых сигналов, большой длительностью кадров, суперкадров, сверх кадров и необходимостью накопления информации низкоорбитальных искусственных спутников Земли (ИСЗ) в связи с малым временем наблюдения и сбросом больших объемов информации.

Целью изобретения является сокращение аппаратных средств станции, уменьшение габаритов, ее стоимости, энергопотребления и повышение эффективности станции путем решения основных задач технического контроля оптимальными программными методами на ПЭВМ и контроля сигналов перспективного цифрового телевидения.

Для достижения указанной цели предлагается станция контроля сигналов линий связи, содержащая последовательно соединенные антенну с системами наведения и автосопровождения (для низкоорбитальных ИСЗ), МШУ, преобразователь частоты, РПУ, блок оптимальной фильтрации, преобразователь сигнала МДКР в МДНР (деспредер) и ПЭВМ с блоком программного обеспечения, в которую дополнительно введены последовательно соединенные когерентный фазовый демодулятор сигналов с МДЧР и МДВР с выдачей 3-битового “мягкого” решения по синфазному и квадратурному каналам, устройство высокоскоростного ввода (УВВ) для обеспечения режима прямой записи на жесткий магнитный диск (ЖМД) ПЭВМ в режиме прямой записи, а также DBV-карта типа SkyStar 1 PCI, вход которой подключен ко второму выходу преобразователя частоты, а выход к одному из портов ПЭВМ, при этом выход деспредера подключен ко входу демодулятора, выход УВВ подключен ко входу ЖМД ПЭВМ.

Станция в предлагаемом составе обеспечивает контроль сигналов линий связи с видами доступа МДЧР, МДВР, МДКР и перспективного цифрового телевидения.

Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемой станции технического контроля из литературы неизвестны, поэтому она соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемой станции; на фиг.2 - функциональная схема устройства высокоскоростного ввода; на фиг.3 - функциональная схема прототипа.

Станция содержит последовательно соединенные антенну 1 с системой наведения и автосопровождения 2, МШУ 3, преобразователь частоты 4, РПУ 5, блок оптимальной фильтрации 6, деспредер 7, когерентный демодулятор с “мягким” решением 8, устройство высокоскоростного ввода 9, ПЭВМ 10, блок программного обеспечения 11 и DBV-карта 12, вход которой подключен ко второму входу преобразователя частоты 4, а выход к одному из портов ПЭВМ 10.

Станция работает следующим образом.

Антенна 1 с помощью системы наведения 2 наводится на интересующий объект и с помощью системы автосопровождения блока 2 сопровождает по мере перемещения объект (характерно для низкоорбитальных ИСЗ). Принятый сигнал усиливается в МШУ 3 и поступает на преобразователь частоты 4 и далее через РПУ 5 на блок оптимальной фильтрации 6, в котором осуществляется коррекция АЧХ и ГВЗ. Предварительно обработанный таким образом сигнал (независимо от вида доступа МДЧР, МДВР, МДКР) поступает на деспредер 7, где сигнал с МДКР преобразуется в сигнал МДЧР и далее сигнал поступает на когерентный демодулятор с “мягким” решением 8. Возможность использования только одного демодулятора объясняется тем, что практически все реальные сигналы используют фазовые виды модуляции (2ФМ, 4ФМ, 4ФМС, 8ФМ, КАМ-16, КАМ-32, КАМ-64, КАМ-128, КАМ-256). В демодуляторе 8 осуществляется когерентная демодуляция сигналов с преобразованием откликов фазовых детекторов в синфазном и квадратурном каналах в цифровую форму. Сигнал откликов детекторов квантуется согласно теореме Котельникова, и каждый квант с помощью аналого-цифрового преобразователя преобразуется в 3-разрядный код.

Далее сигнал в виде 3-разрядных кодов в сопровождении тактовой частоты через устройство УВВ 9 записывается в ЖМД ПЭВМ 10 в режиме прямой записи. Емкость современных ЖМД составляет десятки-сотни Гбайт. Поэтому объем накапливаемой в ЖМД информации достаточен для обработки и вскрытия параметров любых сигналов. Время записи информации в ЖМД в режиме прямой записи определяется скоростью передаваемой информации, числом выборок квантования на интервале одного символа, разрядностью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и объемом памяти ЖМД.

Пусть объем памяти ЖМД составляет - 40 Гбайт - W.

Скорость передачи информации - 10 мбит/с - V.

Число выборок на символ - 4 выборки - К.

Разрядность АЦП - 3 разряда - n.

Тогда время записи составит:

где 2 - увеличение входной скорости информации за счет обработки информации синфазного и квадратурного каналов демодулятора 8.

Сигнал из ЖМД извлекается ПЭВМ 10 и с помощью блока ПО 11 производится последующая обработка в постреальном времени, с возможностью проверки качества информации любого канала зарегистрированного цифрового потока:

- ПУ декодирование по алгоритмам Фико (для систематических кодов) или алгоритмам Витерби (для несистематических кодов);

- дескремблирование;

- деперемежение;

- декодирование кодов Рида-Соломона;

- декодирование кодов Боуза-Чоодхури-Хоквингема;

- дифференцированное декодирование;

- поэтапное демультиплексирование с обеспечением кадровой, пакетной и суперкадровой синхронизации;

- выделение канальной информации;

- определение вероятности ошибок в контролируемом сигнале;

- определение зон доступности.

Объем накапливаемой в ЖМД ПЭВМ 10 информации в случае неизвестных параметров позволяет определить программными методами также и параметры контролируемых сигналов.

В режиме контроля сигналов цифрового телевидения сигнал с антенны 1 через МШУ 3 и преобразователь частоты 4 поступает на вход DBV-карты 12, встраиваемой в один из портов ПЭВМ 10. В DBV-карте происходит преобразование высокочастотного сигнала в сигнал промежуточной частоты, его демодуляция и обработка цифрового сигнала по рекомендации MPEG 1, 2 с выводом телевизионного изображения на экран монитора ПЭВМ 10.

Деспредер 7 имеет режим трансляции, поэтому сигналы с МДЧР и МДВР поступают на демодулятор 8, минуя процедуру деспредирования.

В состав УВВ 9 входят (фиг.2) последовательно соединенные устройство преобразования кодов 13, мост PCI 14, который через шину PCI ПЭВМ 10 подключен к контроллеру RAID-массивов 15, выход которого подключен к ЖМД 16 ПЭВМ 10.

УВВ функционирует следующим образом.

3-битовое “мягкое” решение от синфазного и квадратурного каналов в сопровождении тактовых сигналов от демодулятора 8 подается на вход преобразователя кодов 13, где сигнал в зависимости от входной скорости сигнала и быстродействия ПЭВМ 10 преобразуется в 16-32-разрядный код и далее через мост PCI 14, шину PCI и контроллер RAID-массивов 15 записывается на жесткие магнитные диски ЖМД 16, ПЭВМ 10 с помощью блока ПО 11 производит операции по определению параметров сигнала, его обработке и выявлению качества контролируемого сигнала в постреальном времени.

Предложенное построение станции апробировано в ОКР “Соловейко-ЗВУ”.

Блоки станции 1......7 выполнены по типовым схемам. Когерентный демодулятор 8 выполнен по схеме Костаса [2 стр. 277 рис. 118] с обеспечением ускоренного захвата по несущей и тактовой частотам для сигналов с пакетной структурой (МДВР) и выдачей 3-битового “мягкого” решения синфазного и квадратурного каналов в сопровождении тактовой частоты, т.е демодулятор обеспечивает демодуляцию сигналов как с МДЧР, так и с МДВР.

В рамках ОКР отработаны также алгоритмы и программы блока ПО 10.

Апробирована также работа с DBV-картой 12, результаты положительные.

В результате использования предложения получен следующий технико-экономический выигрыш:

- обеспечен контроль сигналов перспективного цифрового телевидения;

- сокращен состав аппаратных средств;

- обеспечена возможность контроля параметров практически всех типов сигналов за счет квантования откликов фазовых детекторов демодулятора и преобразования их в 3-битовые кодовые комбинации, затем записи информации в ЖМД ПЭВМ и последующей отработки программными методами;

- обеспечена возможность записи сигналов низкоорбитальных ИСЗ с последующей отработкой всей сброшенной с них информации в постреальном времени, т.к. объем современных ЖМД обеспечивает запись сигнала в течение нескольких часов;

- снижены габариты, энергопотребление и стоимость станции;

- обеспечена возможность контроля сигналов в широком диапазоне изменения их параметров, поскольку контроль осуществляется программными методами.

Источники информации

1. В.Л.Банкет, В.М.Дорофеев. Цифровые методы в спутниковой связи. М.: Радиосвязь, 1988.

2. Спилкер Д.Ж. Цифровая спутниковая связь. М.: Связь, 1979.

3. Описание к патенту на изобретение №2176130 от 20.11.2001. Станция технического контроля сигналов спутниковых линий связи (по заявке №9611005 от 21.05.1996).

Формула изобретения

Станция технического контроля сигналов линий связи, содержащая последовательно соединенные антенну с системами наведения и автосопровождения, малошумящий усилитель, преобразователь частоты, радиоприемное устройство, блок оптимальной фильтрации и деспредер, а также персональную электронно-вычислительную машину с блоком программного обеспечения, отличающаяся тем, что в нее введены последовательно соединенные когерентный фазовый демодулятор сигналов с многостанционным доступом на основе частотного и временного разделения каналов с выдачей трехбитового “мягкого” решения по синфазному и квадратурному каналам в сопровождении тактовой частоты и устройство высокоскоростного ввода, а также DBV-карта в составе персональной электронно-вычислительной машины, вход которой подключен ко второму выходу преобразователя частоты, а выход к одному из портов машины, при этом вход демодулятора подключен к выходу деспредера, а выход устройства высокоскоростного ввода подключен ко входу жесткого магнитного диска персональной электронно-вычислительной машины.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3