Устройство диагностики состояния систем связи
Владельцы патента RU 2279185:
Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации (RU)
Изобретение относится к области радиотехники, а именно к контролю технического состояния систем связи, и может быть использовано при проектировании, производстве, испытаниях и эксплуатации радиоэлектронных изделий. Техническим результатом является расширение класса решаемых задач и повышение достоверности оценки определения технического состояния систем связи за счет контроля правильности выбора наилучшей для ведения связи полосы частот. Технический результат достигается введением перестраиваемого гребенчатого фильтра, перестраиваемых полосовых фильтров, выпрямительных блоков, компараторов и блока индикации, что позволяет повысить достоверность оценки определения технического состояния систем связи в 1,73 раза за счет контроля правильности выбора наилучшей для ведения связи полосы частот и повысить уровень технического готовности средств связи. 9 ил.
Изобретение относится к радиотехнике, а именно к контролю технического состояния систем связи, и, в частности, предлагаемое устройство диагностики состояния систем связи предназначено для повышения достоверности определения технического состояния систем связи, работающих в частотно-адаптивных режимах (ЧАР). Техническим результатом является расширение класса решаемых задач и повышение достоверности результатов анализа за счет контроля правильности выбора полосы частот, наилучшей для ведения связи.
Известные устройства диагностики (Устройство для контроля работоспособности радиоприемника, кл. Н 04 В 17/00, опубл. 22.02.90, выпуск №134 [1]; Устройство диагностики состояния аппаратуры цифровых систем передачи, патент SU 1734219 А1, Н 04 В 3/46, опубл. 15.05.92, бюллетень №18 [2]), содержащие устройства формирования тестовой псевдослучайной последовательности (ПСП), устройство сравнения тестовых последовательностей, счетчик ошибок. Данные устройства позволяют диагностировать системы связи по коэффициенту ошибки.
Общим недостатком данных устройств является отсутствие возможности диагностирования систем связи при работе в ЧАР работы.
Наиболее близким к предлагаемому устройству (прототипом) по своей технической сущности является известное устройство диагностики состояния систем радиосвязи, обеспечивающее оценку работоспособности систем радиосвязи в ЧАР за счет контроля времени реакции системы радиосвязи на имитируемую на ее входе помеховую обстановку и сравнения с требуемым значением (Устройство диагностики состояния систем связи, патент RU 2226034, Н 04 В 3/46, опубл. 20.03.04, бюллетень №8 [3]).
Устройство-прототип содержит тракт передачи, тракт приема, аппаратуру автоматизированного ведения связи, управляемый аттенюатор, генератор ПСП, детектор ошибок, счетчик ошибок, тактовый генератор, ключ, широкополосный генератор шума, перестраиваемый заградительный фильтр (ПЗФ), устройство управления перестраиваемым заградительным фильтром, первый, второй и третий сумматоры, первый и второй счетчики времени, таймер, компаратор, блок индикации.
Это устройство является оптимальным, так как позволяет диагностировать системы связи за счет контроля времени реакции системы радиосвязи на имитируемую на ее входе помеховую обстановку и сравнения полученных результатов.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности контроля правильности выбора наилучшей для ведения связи полосы частот, что не обеспечивает достаточную достоверность определения технического состояния систем связи. В устройстве-прототипе отсутствует возможность контроля правильности выбора оптимальной (наиболее приемлемой) для ведения связи полосы частот.
Предлагаемое устройство (Фиг.1.) содержит диагностируемую систему (тракт передачи, тракт приема, аппаратуру автоматизированного ведения связи, управляемый аттенюатор), генератор ПСП, детектор ошибок, счетчик ошибок, тактовый генератор, ключ, широкополосный генератор шума, первый и второй сумматоры, отличающееся тем, что дополнительно введены перестраиваемый гребенчатый фильтр, устройство управления перестраиваемым гребенчатым фильтром и полосовыми фильтрами (УПГФиПФ), первый, второй и третий перестраиваемые полосовые фильтры (ППФ), первый, второй и третий выпрямительные блоки, первый, второй и третий компараторы и блок индикации.
Целью изобретения является разработка устройства диагностики состояния систем связи, обеспечивающего повышение достоверности диагностирования систем связи, работающих в частотно-адаптивных режимах работы.
Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство диагностики дополнительно введены элементы: перестраиваемый гребенчатый фильтр 11, первый 15, второй 16 и третий 17 перестраиваемые полосовые фильтры, первый 18, второй 19 и третий 20 выпрямительные блоки, первый 21, второй 22 и третий 23 компараторы и блок индикации 24 (Фиг.1.). При этом высокочастотный тракт приема 2 подключен к выходу второго сумматора 14 и параллельно к входу первого 15, второго 16 и третьего 17 перестраиваемых полосовых фильтров, выходы которых подключены к входам первого 18, второго 19 и третьего 20 выпрямительных блоков. Выходы данных выпрямительных блоков соответственно подключены к входам первого 21, второго 22 и третьего 23 компараторов, выходы которых - к первому, второму и третьему входам блока индикации 24. Первый и второй выходы широкополосного генератора шума 10 подключены соответственно к второму входу первого сумматора 13 и третьему входу перестраиваемого гребенчатого фильтра 11, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому и второму выходам устройства управления перестраиваемым гребенчатым фильтром и фильтрами 12. Одновременно выходы устройства управления перестраиваемым гребенчатым фильтром и фильтрами 12 подключены к входам управления первого 15, второго 16 и третьего 17 перестраиваемых полосовых фильтров.
Введение в предлагаемое устройство новых отличительных признаков позволяет повысить достоверность диагностирования за счет контроля правильности выбора полосы частот, наилучшей для ведения связи и расширения возможностей имитации помеховой обстановки.
На Фиг.1 показана структурная схема предлагаемого устройства диагностики состояния систем связи; на Фиг.2 - вариант структурной схемы перестраиваемого гребенчатого фильтра; на Фиг.3 - вариант принципиальной схемы перестраиваемого гребенчатого фильтра; на Фиг.4 - вариант структурной схемы УПГФиПФ; на Фиг.5 - вариант структурной схемы первого, второго и третьего ППФ; на Фиг.6 - вариант принципиальной схемы первого, второго и третьего ППФ; на Фиг.7 - вариант принципиальной схемы первого, второго и третьего выпрямительных блоков; на Фиг.8 - вариант принципиальной схемы первого, второго и третьего компараторов; на Фиг.9 - вариант принципиальной схемы блока индикации.
Устройство диагностики состояния системы связи, показанное на Фиг.1, включает тракт передачи 1, тракт приема 2, аппаратуру автоматизированного ведения связи (АВС) 3, управляемый аттенюатор 4, генератор ПСП 5, детектор ошибок 6, счетчик 7, тактовый генератор 8, ключ 9, широкополосный генератор шума 10, перестраиваемый гребенчатый фильтр 11, устройство управления перестраиваемым гребенчатым фильтром и полосовыми фильтрами 12, первый 13 и второй 14 сумматоры, первый 15, второй 16 и третий 17 перестраиваемые полосовые фильтры, первый 18, второй 19 и третий 20 выпрямительные блоки, первый 21, второй 22 и второй 23 компараторы, блок индикации 24.
Перестраиваемый гребенчатый фильтр 11 (Фиг.2, 3) обеспечивает подавление в нескольких выбранных полосах частот. Может быть выполнен в виде Г-образного LC заградительного фильтра с несколькими полузвеньями 11.1. Включение простых заградительных фильтров осуществляется последовательно для получения нужной комбинированной амплитудно-частотной характеристики. Перестройка гребенчатого фильтра осуществляется по цепям подачи управляющих напряжений 11.2 (настраиваемых элементов типа варикапной матрицы КВС111А; МРБ. Справочная книга радиолюбителя конструктора. М.: Радио и связь, 1990, выпуск 1147, с.21, рис.1.15, с.42, рис.2.11 [4]).
Устройство УПГФиПФ 12, показанное на Фиг.4, - известное устройство и может быть выполнено в виде генератора ступенчатого напряжения (МРБ. Справочная книга радио-любителя конструктора. М.: Радио и связь, 1990, выпуск 1147, с.75, рис.2.89 [4]). Предназначено для формирования управляющих напряжений. Включает генератор импульсов 12.1, счетчик импульсов 12.2, первую 12.3 и вторую 12.4 резисторные матрицы, первый DA12.5 и второй DA12.6 операционные усилители. При этом выход генератора импульсов 12.1 подключен к входу счетчика импульсов 12.2, выходы которого в параллель подсоединены к входам первой 12.3 и второй 12.4 резистивных матриц, к выходам которых подключены соответственно операционные усилители DA12.5, DA12.6, охваченных отрицательной обратной связью. В результате обеспечиваются две цепи формирования ступенчатого напряжения, уровни которых будут определяться сопротивлениями, коммутируемыми в резисторных матрицах, и параметрами усилителей, а шаг следования - частотой генератора импульсов 12.1.
Перестраиваемые полосовые фильтры 15, 16, 17 (Фиг.5, 6) обеспечивают прохождение сигналов в выбранной полосе частот и их подавление за границами выбранной полосы частот. Выполнены идентично в виде Г-образного LC полосового фильтра 15.1 (16.1, 17.1). Перестройка фильтров осуществляется по цепям подачи управляющих напряжений 15.2 (16.2, 17.2) (настраиваемых элементов типа варикапной матрицы КВС111А; МРБ. Справочная книга радиолюбителя конструктора. М.: Радио и связь, 1990, выпуск 1147, с.23-24, рис.1.22 (ж, з), с.42, рис.2.11 [4]).
Выпрямительные блоки 18, 19, 20 - известные устройства. Выполнены идентично (МРБ. Справочная книга радиолюбителя конструктора. М.: Радио и связь, 1990, выпуск 1147, с.306-307, рис.9.1а [4]), предназначены для преобразования сигналов переменного тока в постоянный. Как вариант могут быть выполнены по схеме, представленной на Фиг.7. Включают высокочастотный диод VD1 (КД522А) и конденсатор CL. При этом выход высокочастотного диода VD1 подключен к выходу выпрямительного блока и одновременно в параллель подключен конденсатор для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения.
Компараторы 21,22, 23 - известные устройства. Выполнены идентично (Радио, 2003, №4, стр.32, рис.1 [6]), предназначены для сравнения входного напряжения с эталонным напряжением. Как вариант могут быть выполнены по схеме, представленной на Фиг.8. Включают интегральную микросхему (типа КР140УД70В) и делители напряжения, состоящие из резисторов R1, R3, переменных сопротивлений R2, R4 и конденсатора С1.
Блок индикации 24 - известное устройство (Радио, 2003, №3, стр. 44-46, рис.1 [7]), предназначен для отображения номера полосы частот, выбранной аппаратурой АВС. Как вариант может быть выполнен по схеме, представленной на Фиг.9. Включает три светодиодных индикатора VD1, VD2, VD3 для визуального отображения и три сопротивления R1, R2, R3.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, тождественные признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного устройства условию патентоспособности "новизна". Введенные отличительные признаки - перестраиваемый гребенчатый фильтр, первый, второй и третий перестраиваемые полосовые фильтры, первый, второй и третий выпрямительные блоки, первый, второй и третий компараторы и блок индикации в аналогах не встречаются. Следовательно, заявляемое устройство удовлетворяет критериям "новизна, изобретательский уровень, промышленная применимость".
На чертеже обозначено (Фиг.1):
1. Тракт передачи.
2. Тракт приема.
3. Аппаратура автоматизированного ведения связи.
4. Управляемый аттенюатор.
5. Генератор ПСП.
6. Детектор ошибок.
7. Счетчик.
8. Тактовый генератор.
9. Ключ.
10. Широкополосный генератор шума.
11. Перестраиваемый гребенчатый фильтр.
12. Устройство управления перестраиваемым гребенчатым фильтром и фильтрами.
13. Первый сумматор.
14. Второй сумматор.
15. Первый перестраиваемый полосовой фильтр.
16. Второй перестраиваемый полосовой фильтр.
17. Третий перестраиваемый полосовой фильтр.
18. Первый выпрямительный блок.
19. Второй выпрямительный блок.
20. Третий выпрямительный блок.
21. Первый компаратор.
22. Второй компаратор.
23. Третий компаратор.
24. Блок индикации.
Устройство работает следующим образом.
В соответствии с тем, что система связи с адаптивным режимом работы, включающая тракт передачи 1, тракт приема 2, аппаратуру автоматизированного ведения связи 3 (Фиг.1), изменяет частоту настройки и выбирает оптимальную с учетом помеховой обстановки, на входе системы связи за счет широкополосного генератора шума 10 имитируется помеховая обстановка во всем диапазоне, из которой перестраиваемым гребенчатым фильтром 11 "вырезаются" три полосы частот. Аппаратура АВС 3 должна проанализировать помеховую обстановку, найти "вырезанные" (пригодные для связи) полосы частот и перестроить систему связи в пределы наилучшей из найденных пригодных для связи полос частот.
Устройство управления перестраиваемым гребенчатым фильтром и фильтрами 12 производит смену пригодных для связи полос частот, в результате чего аппаратура АВС 3 повторит процесс перестройки системы связи в пределы выбранной новой полосы частот.
Правильность перестройки системы связи определяется путем измерения количества неправильно принятых импульсов, контролируемых детектором ошибок 6 и счетчиком ошибок 7 за установленный интервал времени, а также путем сравнения выбранной системой связи полосы частот и заведомо известной наиболее пригодной для ведения связи полосы частот, с отображением результата выбора в виде номера полосы частот с помощью блока индикации 24. При этом должно выполняться требование по вероятности ошибок :
где: Nош - количество неправильно принятых импульсов,
Nобщ - общее количество импульсов (см. "Устройство диагностики состояния систем связи", №2103819, класс Н 04 В 3/46, опубл. 27.01.98, бюллетень №3 [5]).
Если количество искаженных импульсов не превышает допустимого значения и выбранная системой связи полоса частот является наиболее пригодной для ведения связи, то принимается решение о работоспособности системы связи, при этом блок индикации 24 должен отобразить номер выбранной наилучшей полосы частот для работы аппаратуры.
Если выбранная полоса частот не будет соответствовать наилучшей, то делается заключение о неработоспособности системы связи.
Устройство работает по следующему алгоритму.
С началом диагностирования с первого выхода широкополосного генератора шума 10 сигнал в виде шума подается на третий вход перестраиваемого гребенчатого фильтра 11. Одновременно на первый и второй входы перестраиваемого гребенчатого фильтра 11 с выхода устройства управления ПГФиПФ 12 подается один из уровней управляющих ступенчатых напряжений. На выходе перестраиваемого гребенчатого фильтра 11 формируется шумовой сигнал, в диапазоне частот работы системы связи, с "вырезанными" полосами частот, который подается на второй вход первого сумматора 13, с выхода которого - на первый вход второго сумматора 14, с выхода которого - на вход тракта приема 2 и одновременно на входы первого, второго и третьего перестраиваемых полосовых фильтров. Данная информация поступает на аппаратуру АВС 3, которая анализирует "вырезанные", пригодные для связи полосы частот, находит наиболее пригодную полосу частот для ведения связи и перестраивает тракты передачи 1 и приема 2 в пределы данной полосы. Когда на выходе УПГФиПФ 12 появятся следующие уровни управляющих напряжений, изменяя положение "вырезанных" полос частот, аппаратура АВС 3 перестроит тракты передачи 1 и приема 2 в пределы новой полосы частот, наиболее пригодной для ведения связи. Данный цикл повторяется на всех полосах частот. Правильность перестройки определяется качеством прохождения тестовой последовательности по цепи: выход генератора ПСП 5, вход тракта передачи 1, вход управляемого аттенюатора 4, с выхода которого - на второй вход второго сумматора 14, с выхода которого - на входы первого 15, второго 16 и третьего 17 перестраиваемых полосовых фильтров и вход тракта приема 2, выход которого соединен с входом детектора ошибок 6. Одновременно с второго выхода широкополосного генератора шума 10 сигнал подается на первый вход первого сумматора 13 для обеспечения требуемого соотношения сигнал-шум на входе приемного тракта 2. С выходов первого 15, второго 16 и третьего 17 перестраиваемых полосовых фильтров сигналы подаются на входы первого 18, второго 19 и третьего 20 выпрямительных блоков, выходы которых соединены с входами первого 21, второго 22 и третьего 23 компараторов, с выходов которых - на входы 1, 2, 3 блока индикации 24. Блок индикации 24 отобразит номер наиболее пригодной для ведения связи, выбранной аппаратурой АВС полосы частот из возможных.
В детекторе ошибок 6 определяются неправильно принятые импульсы, которые фиксируются счетчиком Nош и сравниваются с Nдоп (см. "Устройство диагностики состояния систем связи", №2103819, класс Н 04 В 3/46, опубл. 27.01.98, бюллетень №3 [5]).
При оценке эффективности предлагаемого технического решения одним из определяющих является требование по достоверности оценки правильности выбора наилучшей полосы частот для ведения связи. Оценка вероятности ошибки 
приведена в книге Е.С.Вентцель. Теория вероятностей и ее инженерное приложение. М.: Наука, 1988, с.463, ф-ла 11.8.5 [7]:
где: Ф - функция Лапласа;
ε - величина доверительного интервала;
N - количество полос частот, пригодных для ведения связи;
- допустимая вероятность ошибки.
Расчет достоверности оценки определения технического состояния системы связи устройством-прототипом с одной вырезанной (пригодной для связи) полосой частот 
при 
N=1; 
проведен по следующей формуле (см. "Устройство диагностики состояния систем связи", №2103819, класс Н 04 В 3/46, опубл. 27.01.98, бюллетень №3 [4]):
В предлагаемом устройстве за счет введения перестраиваемого гребенчатого фильтра 11 дополнительно вводятся три полосы частот (N=3) для работы системы. При этом достоверность оценки рассчитывается по следующей формуле:
Выигрыш 5 по достоверности оценки определения технического состояния систем связи по сравнению с устройством-прототипом составит:
Для повышения достоверности оценки технического состояния систем связи в данное устройство может быть введено и другое количество дополнительных полос частот (N). С увеличением количества введенных дополнительных полос частот будет повышаться достоверность оценки технического состояния систем связи. Так, для N=5:
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет диагностировать системы связи, при этом повысится достоверность оценки определения технического состояния систем связи за счет контроля правильности выбора наилучшей для ведения связи полосы частот.
Источники информации
1. Изобретение "Устройство для контроля работоспособности радиоприемника": опубл. 22.02.90.
2. Изобретение "Устройство диагностики состояния аппаратуры цифровых систем передачи": патент SU 1734219 А1, опубл. 15.05.92.
3. Изобретение "Устройство диагностики состояния систем связи": патент RU 2226034, опубл. 20.03.04.
4. МРБ №1147, "Справочная книга радиолюбителя конструктора, М., Радио и связь, 1990.
5. Изобретение "Устройство диагностики состояния систем связи": патент №2103819, опубл. 27.01.98.
6. В.Гричко. Двухпороговый компаратор // Радио, №4, 2003. - С.32.
7. А.Юферев Блок индикации // Радио 2003, №3, - С.44-46.
8. Вентцель Е.С. Теория вероятностей и ее инженерное приложение. - М.: Наука, 1988, 463 с.
Устройство диагностики состояния системы связи, работающее в частотно-адаптивном режиме, содержащее тракт передачи, тракт приема, аппаратуру автоматизированного ведения связи, управляемый аттенюатор, генератор псевдослучайной последовательности, детектор ошибок, счетчик ошибок, тактовый генератор, ключ, широкополосный генератор шума, первый и второй сумматоры, при этом входы управления трактов передачи и приема подключены соответственно к первому и второму управляющим выходам аппаратуры автоматизированного ведения связи, информационный вход которой подключен к выходу промежуточной частоты тракта приема, высокочастотный выход тракта передачи подключен к входу управляемого аттенюатора, первый выход генератора псевдослучайной последовательности соединен с низкочастотным входом тракта передачи, второй вход детектора ошибок подключен к низкочастотному выходу тракта приема, второй выход генератора псевдослучайной последовательности подключен к первому входу детектора ошибок, выход которого подключен к второму входу счетчика ошибок, первый вход которого и вход генератора псевдослучайной последовательности подключены параллельно к выходу тактового генератора, вход которого подключен к выходу ключа, входы которого подключены к выходам счетчика, высокочастотный вход тракта приема подключен к выходу второго сумматора, второй вход которого подключен к выходу управляемого аттенюатора, первые управляющие входы первого, второго сумматоров, управляемого аттенюатора объединены и подключены к первому выходному контакту переключателя "Адаптация", второй выходной контакт которого подключен к вторым управляющим входам данных устройств, вход переключателя подключен к управляющему питанию, отличающееся тем, что дополнительно введены перестраиваемый гребенчатый фильтр и устройство управления перестраиваемым гребенчатым фильтром и полосовыми фильтрами, первый, второй и третий перестраиваемые полосовые фильтры, первый, второй и третий выпрямительные блоки, первый, второй и третий компараторы, блок индикации, при этом высокочастотный тракт приема подключен к выходу второго сумматора и одновременно к первым входам первого, второго и третьего перестраиваемых полосовых фильтров, выходы которых подключены к входам первого, второго и третьего выпрямительных блоков, выходы которых подключены к входам первого, второго и третьего компараторов, выходы первого, второго и третьего компараторов подключены к первому, второму и третьему входам блока индикации одновременно, первый и второй выходы широкополосного генератора шума подключены соответственно к первому входу первого сумматора и третьему входу перестраиваемого гребенчатого фильтра, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому и второму выходам устройства управления перестраиваемым гребенчатым фильтром и фильтрами, выход перестраиваемого гребенчатого фильтра подключен к второму входу первого сумматора, выход которого подключен к первому входу второго сумматора и одновременно в параллель к первому и второму выходам устройства управления перестраиваемым гребенчатым фильтром подключены первый и второй входы перестраиваемых полосовых фильтров.
