CC BY
47
удк«21.3*8 в в ВАСИЛЕВСКИЙ
С. А. ЗАВЬЯЛОВ
Омский государственный технический университет
СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИЗВЕЩЕНИЙ ДЛЯ СИСТЕМ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЙ РАДИООХРАНЫ*___________________________________________
В статье проанализированы способы передачи охранных извещений в системах охраны с использованием радиосвязи. Предложен способ передачи извещений, позволяющий повысить надежность, емкость, дальность и экономическую эффективность системы охраны. Приведены результаты имитационного моделирования помехоустойчивости предлагаемого способа и ближайшего аналога.
Ключевые слова: псевдослучайная перестройка рабочей частоты, система радиоохраны, спектральная эффективность, многоканальная обработка.
Известно что, о беспроводной аппаратуре охранных систем активно используются способы передачи извещений с псевдослучайной перестройкой рабочих частот с расширением сиектра (ППРЧ), ири котором вся полоса частот, в диапазоне которой псевдослучайным образом может быть выбрана рабочая частота для передачи отдельного извещения, шире спектра сигнала отдельного извещения. Псевдослучайный выбор рабочей частоты обеспечивает ряд положительных качеств: защита от преднамеренных помех, имитостойкость, скрытность.
Однако применение ППРЧ сигналов порождает ряд проблем, таких как необходимость определения текущей рабочей частоты узкополосного сигнала <уг-дельного извещения в полосе частот ППРЧ сигнала, обеспечения высокого уровня фильтрации узкополосного сигнала отдельного извещения, обеспечения одновременной обработки нескольких каналов приема в полосе частот ППРЧ сигнала. Эти проблемы решаются с разной стененью успешности в приве-ле1шых ниже изобретениях.
Изобретение но патенту |1| предусматривает выбор 1ю псевдослучайному алгоритму не только несущей частоты, но и временных интервалов между передачей посылок. Для того чтобы обеспечить ортогональность накетов сообщений, в нем используют взаимодействие генераторов случайных чисел всех охраняемых объектов. В пункте централизованной охраны (ПЦО) для каждого объекта используют отдельный приемник, содержащий сложный синхронизатор, или сложные узлы быстрого поиска позиций пакетов объекта по спектру и повремени, или то и другое. Кроме того, данному способу свойственны невысокая чувствительность, малые расстояния устойчивой связи и малое допустимое количество позиций пакетов, вследствие необходимости выделения для каждой частотой позиции пакета широкой полосы, не меньшей суммарной нестабильности частот передатчика и приемника.
Известно техническое решение по патенту |2), в котором осуществляется коррекция частотных и временных позиций передатчиков охраняемых объектов по пакету сигналов из ПЦО с соответствующей поправкой. Данное решение позволяет повысить ортогональность сообщений передаваемых множеством охраняемых объектов, однако это ведет к резкому удорожанию системы охраны из-за введения обратного канала связи, который к тому же
требует дополнительного частотно-временного ресурса, что снижает емкость системы охраны, то есть максимальное количество охраняемых объектов.
Для изобретений по патентам |3, 4, 5, 6, 7, 8] характерна недостаточная спектральная эффективность радиосигнала, излучаемого передатчиком охраняемого объекта, кроме того, используемые методы обработки имеют существенные ограничения но качеству фильтрации узкополосных каналов в ПЦО.
В изобретении по патенту (9) осуществляется одновременный прием всех узкополосных каналов путем вычислении функции принимаемого сигнала с помощью БПФ (быстрого преобразования Фурье) с наложением оконной функции. При этом в каждом канале определяют установленное число Р функций принятого сигнала извещения за время, равное продолжительности одного логического символа 7*сиг с равномерным смещением момента окончания определения каждой функции в любом из каналов на интервал, равный отношению Тпт к Р. После этого сравнивают между собой в каждом из каналов значения функций, для которых совпадают моменты окончания их определения, условно устанавливают, что первый из лошческих символов принят в тех каналах, для каждого из которых значение функции превышает одновременно определенное значение функции для канала с номером, большим на установленное целое число К, и второй из логических символов — в остальных каналах.
Для повышения спектральной эффективности в изобретении [9| при передаче последовательного кода извещений изменяют амплитуду передаваемых сигналов, устанавливая в интервалах времени, близких к началу и к око!гчанию передачи каждого двоичного символа кода извещения, существенно меньшую амплитуду сигнала, чем амплитуда в средней части интервала передачи каждого двоичного символа кода извещения. Фактически это означает применение дополнительной амплитудной модуляции несущей.
Благодаря перечисленным особенностям способ |9| позволяет организовать помехоустойчивый прием ППРЧ сигналов от множества объектовых передатчиков, однако все же обладает некоторыми недостатками, ограничивающими его эффективность. В частности, резкий переход между частотами (первого логического символа) и АР (второго
логического символа) значительно расширяет спектр передаваемого охраняемыми объектами сигнала, что
>Спш подготовлена ори проведении НИР н рамках реализации ФЦП «Научмыи и научно-педагогические кадры инновационной России» иа 2009 - 2013 годы.
Рі
\л,
СП
-л/
4 ' х
8 9
т
• т
ос 9
10
10
г-* 10
10
11
Рис. 1. Обобщенная структурная схема системы охраны
увеличивает энергетические потери при фильтрации в ПЦО и служит дополнительными помехами для соседних сигналов других охраняемых объектов. Дополнительная амплитудная модуляция сигнала извещения позволяет в некоторой степени уменьшить уровень боковых лепестков сигнала, передаваемого охраняемыми объектами, однако ведет к уменьшению энергии передаваемого сигнала извещения, а значит, к уменьшению соотношения сигнал/шум (С/Ш) принимаемого в ПЦО сигнала, что также снижает вероятность правильного приема. Кроме того, применение сигнала с изменяющейся огибающей требует использования передающего тракта с высокой линейностью, что снижает КПД, увеличивает габариты и уменьшает срок работы передатчика от резервного источника питания.
Определение функции принимаемого сигнала с помощью БПФ значительно ограничивает эффективность узкополосной фильтрации в ПЦО, так как при дискретной фильтрации на основе БПФ существует жесткая взаимная связь параметров крутизны амплитудно-частотной характеристики фильтров, ширины их полосы пропускания и уровня подавления внеполосных помех. Так, например, увеличивая число точек БПФ, можно сузить полосу пропускания каждого из каналов, однако это ведет к увеличению уровня межеимвольных искажений. Применение оконных функций позволяет повысить уровень подавления внеполосных помех, однако при этом неизбежно расширяется полоса пропускания.
Таким образом, изобретение |9| обладает недостаточной эффективностью фильчрации принимаемого сигнала, недостаточной спектральной и энергетической эффективностью сигнала, передаваемого охраняемыми объектами. Все эти недостатки ограничивают помехозащищенность, надежность, емкость и дальность системы охраны.
Задачей настоящего исследования является повышение спектральной и энергетической эффективности радиосигнала, излучаемого передатчиком охраняемого объекта, обеспечение более узкополосной (близкой к оптимальной) фильтрации принимаемого сигнала и, как следствие этих мер, повышение надежности, емкости, дальности и экономической эффективности системы охраны.
Рассмотрим обобщенную структурную схему (рис. 1), поясняющую принцип действия системы охраны, в которой реализован ряд приемов, позволяющих добиться поставленной задачи. В структурной схеме используются следующие обозначения:
1 - охраняемый объект, 2 - формирователь двоичной последовательности извещения, 3 — модулятор и передатчик охраняемого объекта, 4 —передающая антенна, 5-ПЦО, 6 —приемная антенна, 7 —блок приема, первичной обработки на промежуточной
частоте (ПЧ) и аналого-цифрового преобразования, 8 - узкополосный цифровой фильтр, 9 — блок вычисления функции принимаемого сигнала, 10 — сумматор,
11 — блок принятия решения.
На охраняемых объектах 1 блок 2 формирует двоичную последовательность извещения, несущего информацию, которую необходимо передать от охраняемого объекта в ПЦО.
Блок 3 формирует радиосигнал в заданной полосе, при этом частота радиосигнала, соответствующая
одному из логических символов (например, «0») двоичной последовательности извещения определяется сЛучайным или псевдослучайным способом, а частота, соответствующая второму из логических символов - как Рги + АР, где АР - строго установленный интервал. Причем при переходе между частотой логического нуля и логической единицы или, наоборот, изменение частоты происходит по определенному закону, обеспечивающему плав!гую перестройку частоты, а не скачкообразно. Этот блок может быть выполнен любым из известных способов формирования частотно-манипулированного сигнала с плавной перестройкой частоты, например, на основе генератора, управляемого напряжением с предварительной фильтрацией управляющего напряжения с помощью гауссовского фильтра нижних частот [10].
Посредством антенны 4 охраняемого объекта 1 радиосигнал передается на ПЦО 5, в котором через приемную антенну б передается в блок 7. Блок 7 выполняет предварительную селекцию и первичную фильтрацию всего широкополосного ППРЧ сигнала, его усиление, перенос на промежуточную частоту и^аналого-цифровое преобразование. Современная элементная база и опыт реализаций цифровых приемных устройств допускают множество вариантов исполнения блока 7 111, 12).
С выхода блока 7 цифровой широкополосный ППРЧ сигнал, содержащий узкополосные сигналы от объектов охраны, поступает на набор узкополосных фильтров 8. Число эт их фильтров определяется произведением N на К, где N - число узкополосных каналов, помещающихся в полосу частот широкополосного ППРЧ сигнала, а коэффициент К равен отношению ширины полосы одного канала АР к шагу по частите. Шаг по частоте ДР/К (то есть разница частот между двумя соседними узкополосными фильтрами) выбирается исходя из соображений обеспечения заданной минимальной ошибки несовпадения центральной частоты узкополосного радиосигнала извещения и центральной частоты узкополосного фильтра 8, в ко торый попадает данный радиосигнал.
Например, если полоса частот широкополосного ППРЧ сигнала составляет 32 кГц, при Ы= 512 и К=4, то чйсло узкополосных фильтров 8 будет равняться 512*4 =2048, разница частот нуля и единицы передатчи-
• Предлагаемый способ —Ш—БГІФ, прямоугольное окно
• Ы1Ф, окно Кийісра, р=4 Ж - БПФ, окно Наптолла
ели.
ДБ
Рис. 2. Графики зависимости вероятности ошибки от соотношении С/Ш в полосе ППРЧ сигнала для предлагаемого способа
и ближайшего аналога
ка охраняемого объекта I составит ЛР =32 к Гц/512 = = 62,5 Гц, шаг но частоте АР/К = 62,5 Гц/4 = 15,625 Гц. Таким образом, любой сигнал, переданный с охраняемого объекта 1 в полосе частот ППРЧ сигнала, с разностью частот нуля и единицы АР, попадет в один из узкополосных филь тров 8 ПЦО 5. В данном случае максимальная ошибка несовпадения центральных частот составит не более 7,8125 Гц, или 12,5% от АР. Для уменьшения этой ошибки можно увеличить К, тем самым повысив требования к производительности процессора или увеличить полосу пропускания фильтров 8, тем самым уменьшив соотношение С/Ш на их выходе.
Узкополосные фильтры 8 выполняются в виде последовательного соединения квадратурного демодулятора 113], каскада дециматоров и фильтра нижних частот. Квадратурный демодулятор осуществляет формирование квадратурных составляющих /(/) и (2(1).Отсчеты квадратурных составляющих прореживаются дециматорами д\я устранения избыточной частоты дискретизации и обеспечения предварительной фильтрации, с целью снижения вычислительных затрат на основную селекцию узкополосного сигнала, которая осуществляется фильтром нижних частот с большой крутизной амплитудно-частотной характеристики. Эта схема узкополосной фильтрации позволяет добиться уровня фильтрации сигнала близкого к оптимальной линейной фильтрации, при сравнительно невысоких вычислительных затратах процессора [14).
С выхода узкополосных фильтров квадратурный сигнал попадает на вход блока 9, который выполняет вычисление некоторой функции этого сигнала. В качестве такой функции может использоваться производная фазовой функции квадратурного сіхл
сигнала
А
<1 , Ш
-------агсів——
сії * /(/)
Для представленногоиримера реализации (рис. 1) эту функцию вычисляют па интервалах времени т,т/Р. а значения функции на интервале продолжительностью определяют при суммировании результатов Р последних вычислений и затем передают эти значения в решающий блок 11. Для этого значения производной фазовой функции с выхода блока 9 попадают на вход сумматоров 10, которые и осуществляет суммирование результатов вычисления на интервале продолжительностью Т6#п, Причем для
каждого из узкополосных каналов имеется Р таких сумматоров, момен ты передачи результатов в решающий блок 11 которых, сдвинуты друг относительно друга на интервал Ткиг/Р. Количество Р сумматоров определяет максимальную ошибку несовпадения момента вычисления функции принимаемого сигнала с моментом начала бита, которая составляет не бо-лее ТЫ1Г/2Р.
Решающий блок 11 сравнивает значения на выходе каждого из сумматоров 10 с заранее выбранным пороговым уровнем, при этом, если значение на выходе сумматора превышает значение порогового уровня, то принимается решение о том, что в данном канале с данным моментом окончания определения функции принятого сигнала, был принят первый из логических символов, если же значение на выходе сумматора не превышает значение порогового уровня — второй из логических символов. Для рассматриваемого примера реализации заявляемого способа пороговый уровень определяется как разность значений функций принимаемого сигнала для первого и второго логического символа определенных на шгтервале продолжительностью ТШ1 при условии совпадения начала интервалов определения функций с началом логических символов в принимаемом сигнале. При совпадении центральной частоты фильтра 8 и центральной частоты узкополосного сигнала извещения эта разность будет равняться нулю. То есть в данном случае, если значение на выходе сумматора больше нуля, то условно устанавливают, что принят первый из логических символов, в противном случае - второй из логических символов. Таким образом, определяют последовательности условно установленных логических символов для каждого канала и для каждого из моментов окончания определения функции принятого сигнала. После этого сравнивают каждую из последовательностей условно установленных логических символов с последовательными кодами допустимых для приема извещений и, в случае совпадения какой-либо из последовательностей с одним из этих кодов, вырабатывают решение, соответствующее принятому извещению.
Согласно вышесказанному, была разработана модель в среде МаПаЬ 51тиНпк, проведено ее испытание и сравнительный анализ результатов моделирования с результатами, полученными при моделировании способа по патенту как ближайшего аналога [9].
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ МСТНИК *т 2 (90) 7010 РАДИОТЕХНИКА и ешь
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ КСТНИК И* J (90) 2010
W(fO +af), дБ
-60
-100
-150
\
\ 2
-1
ю
1 Af, кГц
Рис. 3. Графики спектральной плотности мощности узкополосного сигнала одного извещения передаваемого охраняемым объектом ближайшего аналога (график I) н предлагаемого способа (график 2), полученные путем моделирования в МаПаЬ ЬЧпшНпк
На основании этих результатов были получены графики зависимости вероятности ошибки Pwu от соотношения С/Ш в полосе ППРЧ сигнала для предлагаемого способа и аналога (рис. 2).
Из графиков видно, что наилучший из вариантов реализации способа аналога для обеспечения такой же вероятности правильного приема, как в предлагаемом способе, требует увеличения соотношения С/Ш минимум на 1,7 дБ при одинаковой скорости передачи данных. Из графиков спектральной плотности мощности узкополосного сигнала одного извещения (рис. 3) видно, что спектр узкополосного сигнала одного извещения предлагаемого способа обладает значительно большей спектральной эффективностью как по ширине основного лепестка, так и по уровню боковых лепестков при одинаковой скорости передачи данных.
Выводы.
На основании данных математического моделирования, можно сделать вывод что задача исследования была выполнена полностью, предлагаемый комплекс мер позволяет уменьшить вероятность ошибки при передаче извещения и увеличить емкость системы за счет более эффективного использования спектра. Предлагаемый способ может найти практическую реализацию при построении системы радио-охраны в сложной помеховой обстановке, например, в нелицензируемом диапазоне частот.
Библиографический список
1. Transmission of urgent messages In frequency hopping system for intermittent transmission: USPatent6870875,H(>4 В1/69/ Andrzej Partyka.
2. Способ радиосвязи охраняемых объектов и центра охраны: пат. 2295778 Рос, Федерация: МПК7 G 08 В 25/10 / авторы и заявители Косарев С.А., Брауде-Золотарев Ю.М.; патентообладатель ООО «Альтоинка». — No 2006113754/11; заявл. 24.04.06: опубл. 20.03.07.
3. Радиисигнальная система сбора и обработки информации для централизованной охраны транспортных средств, объектов
недвижимости,людей н животных: пот. 2231458 Рос. Федерация: МГ1К7 В 60 R 25/00 / авторы и «шпитилн Косарев С. А. |и др.|; патентообладатель ООО «Альтоника». - No 2003129915/11 ; заявл. 09.10.2003; опубл. 27.06.04
4. Радиопоисковая система для перехвата угнанных транспортных средств: пат. 224 (642 Рос. Федерация: МПК7 В 60 R 25/00 / авторы и заявители Косарев С. А. |и др.|; патентообладатель ООО «Альтоникл». N«2004113613/11; злявл.05.05.04; опубл. 20.01.05.
5. Система для поиска и перехвата угнанных транспортных средств: пат. 2258618 Рос. Федор. »цня: М П К7 В 60 R 25/00 / авторы и заявители Косарев С. А. |и лр-j; патентообладатель ООО «Алыоника». — №2004128736/1 I; заявл. 29.09.04; опубл. 20.08.05.
6. Радиопеленгацнонная ;нстема для поиска и сопровождения транспортпых среде »: пат. 2264937 Рос, Федерация: МПК7 В 60 R 25/00 / авторы и тявители Косарев С. А [и др.]; патентообладатель ООО «Альтоиика» - №2005101104/11: заявл. 19.01.05; опубл. 27.11.05.
7. Способ передачи извещений при охране группы объектов: пат. 2265250 Рос. Федерация: М П К7 G 08 В 25/08 / авторы и заявители Косарев С А [и др.|: плтенго^лддлтельООО «Алътонихл». — No 2004137936/11. заявл 24.12.04; ииубл 27.11.05.
8. Способ передачи и приема извещений в системах централизованной охраны объектов недвижимости и транспортных средств: пат. 2244959 Рос. Федерация: МПК7 В 60 R25/ 10 / авторы и заявители Косарев С. А (и др.]; патенто-обладатель ООО «Альтоннка». — N# 2004112170/11; заявл. 21.04.04; опубл. 20.01.05.
9. Способ передачи извещений для систем централизованной охраны транспортных средств и объектов недвижимости: пат. 2228275. В 60 R 25/10 / авторы и заявители Косарев С. А. (и др.]; патентообладатель ООО «Альтоннка». — No 2003126450/ 112003126450/11; заявл. 29.08.03 опубл. 10.05.04.
10. Феер, К. Беспроводная цифровая связь: пер. с англ. / К. Феер // под ред. В.И. Жураплёва, — М.: Радио и связь. 2000. — С. 472.
11. Днитес, С. Мобильная спя н^ гехнологияОЕСТ/С.Дингес — М.. Соломон-Пресс, 2003. — С. 102-157.
12. Digital IF Subsampling Using the HI5702, HSP45116 and HSP43220.: Application note, AN9509 2. 1998. - 6 p - URL: http://www.intersil.com.
13. Скляр, Бе.рпард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение / Г.орнард Скляр — Изд. 2-е, испр.: пер. с англ. — М. Издательский дом «Вильямс». 2004. — С. 235.
14. Лайоис, Р. Цифровая обработка сигналов / Р. Лайонс — 2-е изд.: пер. с англ. — М.: ООО и Бином-Пресс». 2006. — С. 382.
ВАСИЛЕВСКИЙ Валентин Валентинович, аспирант, ассистент, младший научный сотрудник НИЧ кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики».
Адрес для переписки: е-шаіі: [email protected] ЗАВЬЯЛОВ Сергеи Анатольевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики».
Адрес для переписки: е-піаіі: [email protected]
Статья поступила в редакцию 16.03.2010 г.
© В. В. Василевский, С. Л* Завьялов
