Способ и система приема сообщений телеметрической информации по рч-каналу - RU2711582C1

Чертежи

Описание

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ

[001] Настоящая заявка претендует на приоритет перед американской патентной заявкой №16/105,706, поданной 20 августа 2018 года, которая в полном объеме включается в настоящую заявку посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[002] Настоящее техническое решение относится к сетям связи, и, в частности, к способам и системам приема сообщений телеметрической информации по РЧ-каналу.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[003] В настоящее время прием BPSK/DBPSK сообщений осуществляется при помощи широко известных алгоритмов. Обычно BPSK сообщения принимают когерентно, например, с помощью петли Костаса, a DBPSK сообщения - некогерентно. Как правило, для приема BPSK сообщений в когерентном режиме используется так называемая петля Костаса и другие схемы, построенные на основе петли Котласа. Для некогерентного приема DBPSK сообщений могут использоваться различные алгоритмы, основанные на оценке разницы фаз между соседними битами. Когерентный прием обычно считается более эффективным, но, как известно, требует значительных вычислительных ресурсов, особенно при использовании в среде с низкими соотношениями сигнал/шум (например, при слабом сигнале).

[004] В американском патенте №US 9,049,732 (Заголовок: «Способ использования ресурса коллективно используемой частоты, способ изготовления терминалов, терминалы и телекоммуникационная система», патентообладатель: SIGFOX™, дата публикации: 2015-06-02) сообщается, что преобразования Фурье выполняются с желаемым частотным разрешением, затем производится поиск пиков по энергии, после чего все частоты, где были обнаружены такие пики, переносятся на низкую частоту, где выполняется фильтрация и детектирование сигнала (может быть как когерентным, так и некогерентным, алгоритмы известны из уровня техники).

[005] Недостатком данного уровня техники представляется большая вычислительная сложность. Часть вычислений может повторяться минимум дважды, при поиске пиков по энергии и фильтрации сигнала.

[006] В настоящее время известны и на рынке представлены различные системы на кристалле (сокращение СнК), имеющие возможность принимать/передавать РЧ-сигналы. Такие системы широко используются в приложениях, где ограничены размеры устройства и существенное значение имеет низкое энергопотребление и низкая цена.

[007] Некоторые из известных систем на кристалле способны принимать/передавать сообщения с фазовой (PSK) или относительной фазовой (DPSK) модуляцией.

[008] Одним из примеров такой известной системы на кристалле является серия систем на кристалле Wireless Gecko компании Silicon Labs. Некоторые известные системы на кристалле данной серии, например EFR32xG13 Wireless Gecko, поддерживают передачу данных с использованием ОФМн-2 модуляции. Однако в известных системах на кристалле этой серии отсутствует возможность приема сигналов с ОФМн-2 модуляцией.

[009] Другим примером известных систем на кристалле с поддержкой ФМн-2 является система AT86RF212 компании Microchip. ФМн-2 используется в режиме прямого расширения спектра с битовыми скоростями 20 и 40 Кбит/с. Чувствительность системы при работе в этих режимах составляет до -100 дБм.

[0010] Описанные системы на кристалле уровня техники обладают рядом недостатков, затрудняющих применение такой системы на кристалле в сетях сбора телеметрической информации.

[0011] Некоторые такие известные системы на кристалле не поддерживают прием сообщений с модуляцией ФМн-2. Большинство известных систем на кристалле поддерживают работу на скоростях от 10 кбит/с и выше, при этом дальность передачи как правило не превышает нескольких тысяч метров. Axsem ах5043 поддерживает прием сообщений с модуляцией ФМн-2 со скоростью 100 бит/с, что обеспечивает чувствительность -138 дБм, однако данная чувствительность достигается только при точном совпадении частот приема и передачи.

[0012] Также из уровня техники известны: системы с использованием оригинальной модуляции; устройства, использующие кодовое разделение каналов и расширение спектра, что имеет ряд особенностей, известных специалистам в уровне техники.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0013] Предлагаемое в настоящей заявке техническое решение направлено на устранение недостатков, свойственных решениям, известным из уровня техники.

[001] Разработчики данной технологии нацелены на предоставление технического решения, обеспечивающего возможность приема сообщений от, по меньшей мере, одного передатчика на приемнике при передаче сообщений на, по меньшей мере, одной скорости. Согласно не имеющим ограничительного характера вариантам воплощения настоящей технологии прием сообщений должен осуществляться на системе на кристалле (СнК), которая сконфигурирована для приема сигнала из радиоэфира либо из внешнего РЧ-модуля, детектирования таких РЧ-сигналов от передатчика (передатчиков) и приема передаваемых сообщений. Некоторые из, по меньшей мере, не имеющих ограничительного характера вариантов воплощения настоящей технологии позволяют принимать сообщения с модуляцией ФМн-2 или ОФМН-2 без использования расширения спектра.

[0014] Некоторые из, по меньшей мере, не имеющих ограничительного характера вариантов воплощения настоящей технологии позволяют принимать сообщения по нескольким каналам на нескольких скоростях.

[0015] Некоторые из, по меньшей мере, не имеющих ограничительного характера вариантов воплощения настоящей технологии позволяют повышать качество приема сообщений.

[0016] Некоторые из, по меньшей мере, не имеющих ограничительного характера вариантов воплощения настоящей технологии обеспечивают возможность приема сообщений на произвольных неизвестных заранее частотах внутри обрабатываемой полосы частот.

[0017] В соответствии с первым широким аспектом настоящей технологии предоставляется способ приема сообщений телеметрической информации по РЧ-каналу. Способ осуществляется в системе на кристалле (СнК), при этом в систему на кристалле входит входной РЧ-модуль. В состав способа входит: прием по РЧ-каналу с выходного порта входного РЧ-модуля сигнала, включающего в себя сообщение телеметрической информации; сдвиг сигнала, причем сдвиг осуществляется следующим образом: сначала производят сдвиги сигнала по времени таким образом, чтобы величины сдвигов равномерно заполняли длительность одного бита данных; затем производят сдвиги сигнала по частоте таким образом, чтобы величины сдвигов равномерно заполняли расстояние между поднесущими преобразования Фурье, при этом сдвиг по частоте производится независимо от сдвигов по времени; выполняют обработку сигнала посредством последовательных преобразований Фурье, причем обработка осуществляется таким образом, чтобы первый временной элемент последовательного преобразования Фурье располагался сразу после последнего временного элемента предыдущего преобразования Фурье, а длина преобразования Фурье совпадала с битовой длиной сообщения телеметрической информации; демодулируют сигнал на основе коэффициентов Фурье, при этом демодуляция сигнала осуществляется независимо по отношению к демодуляции других сигналов системой на кристалле.

[0018] В некоторых вариантах реализации способа последовательное преобразование Фурье осуществляется со смещением начальных моментов времени t0 относительно друг друга.

[0019] В некоторых вариантах реализации способа в состав способа дополнительно входит проверка целостности сообщения.

[0020] В некоторых вариантах реализации способа в проверку входит проверка контрольной суммы.

[0021] В некоторых вариантах реализации способа в состав контрольной суммы входит циклический избыточный код.

[0022] В некоторых вариантах реализации способа в состав способа далее входит проведение проверок истинности сообщений сигнала, при этом проверки истинности сообщений осуществляются независимо от проверок истинности сообщений других сигналов.

[0023] В некоторых вариантах реализации способа в состав способа далее входит фильтрация совпадающих повторных сообщений, которые были независимо демодулированы.

[0024] В некоторых вариантах реализации способа в состав демодуляции входит использование синфазных и квадратурных составляющих каждого коэффициента Фурье независимо друг от друга.

[0025] В соответствии с еще одним широким аспектом настоящей технологии предоставляется система на кристалле (СнК) для приема сообщений телеметрической информации по РЧ-каналу. В состав системы на кристалле входит: по меньшей мере, один РЧ-модуль, сконфигурированный для получения сигнала от антенны передающего устройства; по меньшей мере, один блок памяти, сконфигурированный для хранения сигнала; по меньшей мере, один вычислитель, сконфигурированный для: приема по РЧ-каналу от выходного порта входного РЧ-модуля сигнала; осуществления сдвига: сначала производят сдвиги сигнала по времени таким образом, чтобы величины сдвигов равномерно заполняли длительность одного бита данных; затем производят сдвиги сигнала по частоте таким образом, чтобы величины сдвигов равномерно заполняли расстояние между поднесущими преобразования Фурье, при этом сдвиг по частоте производится независимо от сдвигов по времени; выполняют обработку сигнала посредством последовательного преобразования Фурье, причем обработка осуществляется таким образом, чтобы первый временной элемент последовательного преобразования Фурье располагался сразу после последнего временного элемента предыдущего преобразования Фурье, а длина преобразования Фурье совпадала с битовой длиной сообщения телеметрической информации; демодулируют сигнал на основе коэффициентов Фурье, при этом демодуляция сигнала осуществляется независимо по отношению к демодуляции других сигналов системой на кристалле.

[0026] В некоторых вариантах реализации системы на кристалле сигнал исходит от, по меньшей мере, одного РЧ-модуля, при этом по меньшей мере один РЧ-модуль является внешним по отношению к системе на кристалле.

[0027] В некоторых вариантах реализации системы на кристалле в состав системы на кристалле далее входит малошумящий усилитель сигналов.

[0028] В некоторых вариантах реализации системы на кристалле в состав системы на кристалле далее входит, по меньшей мере, один из следующих компонентов: принимающая антенна и передающая антенна.

[0029] В некоторых вариантах реализации системы на кристалле в состав системы на кристалле далее входит генератор опорной частоты.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0030] Признаки и преимущества не имеющих ограничительного характера вариантов воплощения настоящей технологии станут более очевидными из приведенного ниже подробного описания и прилагаемых чертежей, на которых:

[0031] На Фиг. 1 отображена блок-схема алгоритма способа приема сообщений телеметрической информации по РЧ-каналу, способа в соответствии с не имеющими ограничительного характера вариантами воплощения настоящей технологии;

[0032] На Фиг. 2 показана схема расположения рядов преобразований Фурье на плоскости времени-частоты.

[0033] На Фиг. 3 показана схема соединения блоков в, по меньшей мере, некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах воплощения настоящей технологии.

[0034] На Фиг 4. схематично показаны амплитудно-частотные характеристики соседних каналов преобразования Фурье и влияние частотного сдвига данных на прием.

[0035] На Фиг. 5 показана схема системы на кристалле для приема сообщений телеметрической информации по РЧ-каналу, при этом система реализована в соответствии с не имеющими ограничительного характера вариантами воплощения настоящей технологии.

[0036] Патент или файл заявки содержит, по меньшей мере, один чертеж, выполненный в цвете. Копии публикации настоящего патента или патентной заявки с цветным(и) чертежом(-ами) будут предоставлены Управлением по запросу с внесением необходимой платы.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0037] Не имеющие ограничительного характера варианты воплощения настоящей технологии могут быть реализованы на системе на кристалле. В некоторых вариантах воплощения настоящей технологии система может быть реализована в виде сверхбольшой интегральной схемы, содержащей блоки цифровой обработки сигналов, управляющие блоки и интерфейсы с внешними устройствами. В некоторых вариантах воплощения настоящей технологии система на кристалле может далее включать в себя блоки аналоговой обработки сигнала. Дополнительно или альтернативно такие блоки аналоговой обработки сигнала могут быть реализованы в виде отдельной сверхбольшой интегральной схемы.

[0038] В рамках описания, представленного в настоящей заявке ниже, «сигнал» - это физический процесс, содержащий в себе некоторую информацию.

[0039] В рамках описания, представленного в настоящей заявке ниже, Система на кристалле (СнК) (как общеизвестно в микроэлектронике) - электронная схема, выполняющая функции целого устройства (например, компьютера или приемника радиосигналов) и размещенная на одной интегральной схеме.

[0040] В рамках описания, представленного в настоящей заявке ниже, цифровая обработка сигналов - способы обработки сигналов на основе численных методов с использованием цифровой вычислительной техники, например, цифровых блоков систем на кристалле.

[0041] В рамках описания, представленного в настоящей заявке ниже, фазовая манипуляция (ФМн, англ. phase-shift keying (PSK)) - один из видов фазовой модуляции, при которой фаза несущего колебания меняется скачкообразно в зависимости от информационного сообщения. Дифференциальная (относительная) двоичная фазовая манипуляция (ОФМн, DBPSK) - вид ФМн, в которой информация кодируется изменением фазы между символами.

[0042] В рамках описания, представленного в настоящей заявке ниже, контрольная сумма - некоторое значение, рассчитанное по набору данных путем применения определенного алгоритма. В соответствии с не имеющими ограничительного характера вариантами воплощения настоящей технологии контрольная сумма может использоваться для проверки целостности данных при их передаче или хранении.

[0043] В рамках описания, представленного в настоящей заявке ниже, циклический избыточный код (англ. Cyclic redundancy check, CRC) - один из алгоритмов нахождения контрольной суммы, предназначенный для проверки целостности данных. В соответствии с не имеющими ограничительного характера вариантами воплощения настоящей технологии циклический избыточный код может быть реализован с помощью операции деления полиномов над конечным полем.

[0044] В рамках описания, представленного в настоящей заявке ниже, цифровой фильтр (как общеизвестно в электронике) - любой фильтр, используемый для обработки цифрового сигнала с целью выделения и/или подавления определенных частот этого сигнала.

[0045] В рамках описания, представленного в настоящей заявке ниже, децимация - уменьшение частоты дискретизации дискретного во времени сигнала путем прореживания его отсчетов.

[0046] В рамках описания, представленного в настоящей заявке ниже, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) - зависимость амплитуды выходного сигнала некоторой системы от частоты входного гармонического сигнала такой системы.

[0047] В рамках описания, представленного в настоящей заявке ниже, квадратурная демодуляция - процесс преобразования сигналов в квадратурное представление с выделением синфазной и квадратурной составляющих.

[0048] В рамках описания, представленного в настоящей заявке ниже, преобразование Фурье - операция, сопоставляющая одной функции комплексной переменной другую функцию комплексной переменной, которая описывает коэффициенты, используемые при разложении исходной функции на элементарные составляющие - гармонические колебания с разными частотами.

[0049] В рамках описания, представленного в настоящей заявке ниже, дискретное преобразование Фурье - операция, преобразующая последовательности комплексных значений некоторой функции в последовательность комплексных коэффициентов при элементарных составляющих - гармонических функциях.

[0050] В рамках описания, представленного в настоящей заявке ниже, быстрое преобразование Фурье (БПФ) - алгоритм вычисления дискретного преобразования Фурье (ДПФ).

[0051] В рамках описания, представленного в настоящей заявке ниже, пропускная способность канала - максимальная скорость, с которой возможна безошибочная передача данных по каналу. Битовая скорость - объем данных в битах, передаваемый за единицу времени.

[0052] В рамках описания, представленного в настоящей заявке ниже, генератор тактовых импульсов (генератор тактовой частоты) - устройство, вырабатывающее электрические импульсы заданной частоты, которая используется как эталонная.

[0053] В рамках описания, представленного в настоящей заявке ниже, полоса пропускания - диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) акустического, радиотехнического, оптического или механического устройства достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения формы сигнала.

[0054] В рамках описания, представленного в настоящей заявке ниже, частота дискретизации (или частота семплирования, англ. sample rate) - частота взятия отсчетов непрерывного по времени сигнала при его дискретизации, напр., аналого-цифровым преобразователем.

[0055] В рамках описания, представленного в настоящей заявке ниже, временное разрешение - интервал времени, определяемый при фиксированном отношении сигнала к шуму и равный минимальной длительности любого из двух прямоугольных импульсов излучения, следующих последовательно со скважностью, равной двум, и еще воспринимаемых раздельно.

[0056] В рамках описания, представленного в настоящей заявке ниже, когерентный прием - метод приема сигналов с использованием опорного колебания, которое представляют собой точную копию переданного сигнала. Если сигналом является колебание с известной частотой и фазой, то в когерентном приемнике используется синхронный детектор, в котором опорное колебание синхронно с колебанием несущей частоты с учетом начальной фазы принятого сигнала.

[0057] В рамках описания, представленного в настоящей заявке ниже, некогерентный прием - метод приема сигналов, при котором не учитываются сведения о начальной фазе принятого сигнала.

[0058] В рамках описания, представленного в настоящей заявке ниже, символьная синхронизация - метод синхронизации, с помощью которого устраняется рассогласование между принимаемым и опорным сигналами с точностью до одного символа.

[0059] ОФМН-2 допускает некогерентное детектирование, в отличие от ФМН-2. Исходя из этого в различных не имеющих ограничительного характера вариантах воплощения настоящей технологии для передачи сообщений используется относительная двоичная фазовая модуляция (ОФМн-2).

[0060] Не имеющие ограничительного характера варианты воплощения настоящей технологии предназначены, главным образом, для использования в сетях сбора данных в телеметрических системах, в которых требуется передача объема данных, как правило, не более 10-100 байт на расстояния не менее одного километра. В частности, не имеющие ограничительного характера варианты воплощения настоящей технологии могут использоваться для передачи данных о состоянии какого-либо датчика, например, открытия двери. Также не имеющие ограничительного характера варианты воплощения настоящей технологии пригодны для передачи данных о показаниях какого-либо измерительного устройства, (например, счетчика ресурсов в ЖКХ). Исходя из этих особенностей для передачи сообщений может использоваться битовая скорость 50 бит/с.

[0061] Не имеющие ограничительного характера варианты воплощения настоящей технологии предназначены для приема нескольких сообщений в обрабатываемой полосе приемника (например, в РФ в данный момент нелицензируемая полоса частот, в которой могут использоваться не имеющие ограничительного характера варианты воплощения настоящей технологии, составляет 868.7-869.2 МГц). При этом время начала передачи каждого отдельного сообщения предполагается неизвестным и может отличаться от других передаваемых сообщений.

[0062] Сообщение представляет собой блок данных, размером десять байт или более, формат которого известен как передающему устройству, так и принимающему устройству, содержание которого позволяет сообщению быть обнаруженным и принятым на приемнике. Сообщение содержит известную последовательность бит, называемую преамбулой, которая используется для первоначального поиска сообщения во входном сигнале, и данные непосредственно сообщения. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах воплощения настоящей технологии сообщение также содержит дополнительную служебную информацию, например, счетчик переданных сообщений. В других не имеющих ограничительного характера вариантах воплощения настоящей технологии сообщение содержит контрольную сумму, избыточный циклический код или другой набор дополнительных данных, которые используются для контроля правильности приема сообщения. Сообщение также может содержать дополнительные данные помехоустойчивого кодирования, которые могут использоваться для исправления ошибок в принятом сообщении.

[0063] Принимающее устройство - устройство, содержащее описываемую систему на кристалле. Также принимающее устройство может также включать в себя блоки аналоговой обработки сигнала. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах воплощения настоящей технологии блоки аналоговой обработки (РЧ-модуль - набор блоков, где производится обработка сигналов аналоговым образом, в том числе РЧ-сигнала) входят в состав не имеющих ограничительного характера вариантов воплощения настоящей технологии. Принимающее устройство может содержать другие блоки, например, вычислительное устройство общего назначения, другие блоки, обусловленные назначением принимающего устройства - например блоки управления чем-либо, либо измерения чего-либо. Также принимающее устройство может включать в себя антенну для непосредственного приема/передачи РЧ-сигнала из эфира и в эфир.

[0064] Частоты передачи сообщений неизвестны принимающему устройству и произвольны в пределах полосы пропускания принимающего устройства. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах воплощения настоящей технологии частота передачи выбирается из набора частот, известного передающему устройству (его частотной сетки). В других не имеющих ограничительного характера вариантах воплощения настоящей технологии частота передачи сообщения может быть фиксированной для каждого устройства, либо псевдослучайной, либо задаваться пользователем. При этом ошибка генерации выбранной частоты на стороне передающего устройства может быть значительно больше как полосы сообщения, так и шага частотной сетки (расстояния между соседними частотами из сетки).

[0065] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах воплощения настоящей технологии частота передачи сообщения может выбираться в зависимости от контрольной суммы, например, значения циклического избыточного кода сообщения.

[0066] В некоторых предпочтительных не имеющих ограничительного характера вариантах воплощения настоящей технологии шаг сетки составляет 100 или 200 Гц. Полоса сигнала при этом может быть как меньше, так и больше шага сетки, то есть полоса сигнала и характеристики набора используемых частот могут не зависеть друг от друга. Ошибка в установке несущей частоты на стороне передающего устройства может составлять до 1000 Гц и более.

[0067] Точная информация о времени и частоте передачи сообщений с передающих устройств отсутствует у приемного устройства, так как точность времени и установки несущей частоты на передающем устройстве зависит от точности генератора тактовой частоты, от точности генератора радиочастоты, от точности часов реального времени, от конкретного технологического процесса, используемого при производстве передающего устройства и его компонентов, от температуры окружающей среды и многих других факторов. В системах сбора телеметрической информации зачастую отсутствует возможность компенсации всех перечисленных факторов на стороне передающего устройства. В других системах, известных из уровня техники, напротив, может осуществляться подобная компенсация, например, в сотовой связи точность установки времени передачи сигнала достигается за счет синхронизации часов клиентских телефонов с часами базовых станций. Также, в некоторых вариантах воплощения устройств в других системах, известных из уровня техники, точное время передачи сигналов снимается со спутниковой системы навигации.

[0068] В соответствии с не имеющими ограничительного характера вариантами воплощения настоящей технологии используется битовая скорость 50 бит/с. Однако следует в явном виде понимать, что имеется возможность выбора и использования других не имеющих ограничительного характера вариантов воплощения настоящей технологии, других значений битовой скорости.

[0069] В соответствии с не имеющими ограничительного характера вариантами воплощения настоящей технологии предусматривается система 500 (которая также может именоваться ниже системой на кристалле 500), как схематично показано на Фиг. 5. Система 500 сконфигурирована для приема РЧ-сигналов с их последующей обработкой, как показано далее.

[0070] Способ приема сообщений телеметрической информации по РЧ-каналу показан на Фиг. 1 в виде блок-схемы. Способ, показанный на Фиг. 1, может быть реализован в системе 500.

[0071] Шаг 110: получают сигнал с выходного порта (не отображен) входного РЧ-модуля 520.

[0072] Сигнал, полученный с РЧ-модуля 520, может содержать сообщения от одного или нескольких передающих устройств. Однако также предусматривается, что сигнал может не содержать сообщений от устройств.

[0073] В соответствии с не имеющими ограничительного характера вариантами воплощения настоящей технологии РЧ-модуль 520 может быть сконфигурирован для следующего:

• обеспечение разделения и развязки трактов приема/передачи;

• подключение к приемному тракту принимающей антенны;

• усиление сигнала, поступающего с антенны;

• фильтрация сигнала при помощи аналогового метода;

• генерация опорной частоты;

• Перенос сигнала в область низких частот для последующей цифровой обработки;

• выполнение аналогово-цифрового преобразования сигнала.

[0074] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах воплощения настоящей технологии РЧ-модуль 520 осуществляет квадратурную демодуляцию сигнала.

[0075] В других не имеющих ограничительного характера вариантах воплощения настоящей технологии РЧ-модуль 520 также обеспечивает передачу РЧ-сигнала, при этом РЧ-модуль 520 может выполнять следующие функции:

• цифро-цифровое преобразование (посредством АЦП),

• генерация радиочастоты (посредством генератора частоты),

• квадратурная модуляция (посредством модулятора),

• прямая модуляция ОФМ-2 с помощью вращения фазы РЧ-сигнала,

• усиление сигнала (посредством малошумящего усилителя),

• аналоговая фильтрация сигнала,

• выступление в качестве РЧ-интерфейса на передающую антенну.

[0076] В соответствии с не имеющими ограничительного характера вариантами воплощения настоящей технологии РЧ-модули 520 сконфигурированы для поддержки работы как минимум в четырех диапазонах для работы по всему миру, используя до четырех передающих и четырех приемных трактов. Количество каждого из узлов, используемых в четырехдиапазонном блоке, может меняться от одного до четырех. Например, может быть использован РЧ-модуль 520, содержащий четыре дуплексера и предназначенный для работы с четырьмя раздельными антеннами.

[0077] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах воплощения настоящей технологии система 500 содержит аналоговые блоки, выполняющие функции РЧ-модуля. В рамках этих не имеющих ограничительного характера вариантов воплощения настоящей технологии такие аналоговые блоки могут конфигурироваться для выполнения (i) усиления (например, малошумящий усилитель 560), (ii) фильтрации РЧ-сигнала, (iii) квадратурной модуляции и (iv) аналогово-цифрового преобразования. В других не имеющих ограничительного характера вариантах воплощения настоящей технологии РЧ-модуль 520 может устанавливаться вместе с системой 500, например, в одном корпусе. В каких-то других не имеющих ограничительного характера вариантах воплощения настоящей технологии может использоваться отдельный известный из уровня техники РЧ-модуль с желаемыми характеристиками.

[0078] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах воплощения настоящей технологии система 500 содержит дополнительные блоки цифровой обработки входного сигнала (подразумевается РЧ-сигнал), в частности, например, цифровые фильтры и другие блоки.

[0079] Шаг 120: производят сдвиги полученного во времени и в частоте сигнала.

[0080] На шаге 120 производят сдвиги во времени и в частоте посредством вычислителя 540.

[0081] Сначала производят сдвиги сигнала по времени таким образом, чтобы величины сдвигов равномерно заполняли длительность одного бита данных (шаг 120.1 на Фиг. 1 и 5).

[0082] Затем производят сдвиги сигнала по частоте таким образом, чтобы величины сдвигов равномерно заполняли расстояние между поднесущими преобразования Фурье, при этом сдвиги частоты сигналов выполняется независимо по всем сдвигам сигнала во времени (шаг 120.2 на Фиг. 1 и 5).

[0083] Шаг 130: после этого выполняют обработку полученного на шаге 129 сигнала посредством последовательных преобразований Фурье. В соответствии с не имеющими ограничительного характера вариантами воплощения настоящей технологии шаг 130 выполняется таким образом, что первый элемент каждого следующего преобразования следует сразу же за последним элементом предыдущего преобразования.

[0084] Осуществляется последовательно серия преобразований Фурье входного сигнала порядка N. Первая серия преобразований производится вычислителем 540 с данными, поступающими с частотой дискретизации F_input с момента времени t0 (синяя линия на Фиг. 2), следующее - с момента времени t1 (красная линия на Фиг. 2, показан также дополнительный частотный сдвиг) и так далее. В представленном в настоящей заявке описании термин «канал в частотной области» используется для обозначения ряда комплексных коэффициентов при одной из гармоник на выходе преобразования Фурье, получающихся в результате серии последовательных преобразований Фурье, с определенным временным сдвигом первого преобразования в ряду и общим частотным сдвигом. В результате каждой серии преобразований будет получено N частотных каналов.

[0085] Например, на вход принимающего устройства поступает поток с частотой дискретизации F_input=51200 Гц, затем выполняют быстрое преобразование Фурье с N=1024, и получают 1024 канала с частотой дискретизации 50 Гц, данные в которых будут передаваться с скоростью 1/N от входной. Если в данном случае выполнять преобразования Фурье с N=16, получатся 16 каналов с частотой дискретизации 3200 Гц. Информация в полученных каналах в частотной области будет содержаться в комплексных коэффициентах при соответствующих гармониках на выходе БПФ.

[0086] Преобразования Фурье позволяют переносить в область нулевой частоты все частоты f0, f1…fN, соответствующие N поднесущим преобразования Фурье. При этом попутно осуществляется фильтрация при выполнении суммирования в преобразовании Фурье.

[0087] Длина блока во времени, подаваемого на блок преобразования Фурье, выбирается совпадающей с длиной бита. Рассмотрим один канал в частотной области. При идеальной битовой синхронизации, то есть совпадении начала и конца блоков данных, которые подаются на преобразование Фурье, и фактических начала и конца передаваемых бит, каждый коэффициент при гармонике после преобразования Фурье будет содержать информацию только об одном бите, и одновременно информация о каждом бите будет содержаться только в одном коэффициенте.

[0088] Выбор таких параметров преобразования Фурье позволяет в случае битовой синхронизации близкой к идеальной сразу использовать данные в частотных каналах для детектирования сообщений во входном сигнале и демодуляции данных. При этом такая схема позволяет использовать всю входную полосу, но не обеспечивает точности временной синхронизации в одном выбранном канале. В одном выбранном канале нет возможности приема при несовпадении начала и конца бит в эфире с началом и концом преобразований Фурье. Специалисту в данном уровне техники известно, что для осуществления битовой синхронизации, как правило, требуется по меньшей мере четыре точки на символ (в предпочитаемом варианте воплощения изобретения символ это один бит). Например, в системах на основе частотного ортогонального мультиплексирования (OFDM) разрешение временной синхронизации составляет один такт общей частоты синхронизации для всей полосы пропускания.

[0089] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах воплощения настоящей технологии для повышения временного разрешения схемы используют все серии преобразований Фурье (синий, красный и зеленый цвет на Фиг. 2 и другие не показанные на Фиг. 2 серии), начальные моменты времени t0 которых смещены относительно друг друга в пределах длины бита. Длина преобразований Фурье при этом сохраняется равной длине бита. Таким образом, не повышается разрешение для поиска временной синхронизации после БПФ в каждой отдельной серии преобразований, а используется несколько серий преобразований, с помощью которых повышается общее качество битовой синхронизации системы.

[0090] Аналогично с помощью частотных сдвигов можно повысить частотное разрешение приемника, так как разрешение одного БПФ ограничено расстоянием между его поднесущими.

[0091] При этом на Фиг. 2 для более удобного восприятия не показаны остальные варианты рядов преобразований, (в частности смещенные относительно изображенных по времени во всех возможных вариантах).

[0092] Все вышеописанные шаги, включая вычисление результатов всех сдвигов сигнала во времени и частоте, производятся вычислителем 540 постоянно в режиме реального времени, независимо от наличия или отсутствия сообщений.

[0093] Схематично процесс вычислений до получения отсчетов в частотной области выглядит, как показано на Фиг. 3.

[0094] Из входного буфера выходят М параллельных совпадающих потоков данных, которые различаются метками начала и конца блока данных для очередного БПФ. Поток входных данных приходит из РЧ-модуля 520, либо из блоков цифровой обработки сигнала Р с частотой дискретизации F_input. Входной буфер представляет из себя блок памяти, достаточный для хранения N временных отсчетов.

[0095] Не ограничиваясь, пусть входной поток приходит на скорости 51200 Гц, отсчеты записываются во входной буфер. Отсчеты с 1 по 1024 формируют первый блок в первом ряду преобразований Фурье, следующий блок в этом ряду будет содержать отсчеты с 1025 по 2048, и так далее. Видно, что вероятность того, что очередной бит сообщения начнется рядом с началом очередного блока, достаточно мала. Например, бит может начаться с 512 отсчета, тогда половина бита попадет в первый блок, а вторая половина во второй. Это приведет к тому, что сообщение в дальнейшем не получится принять. Эту ситуацию невозможно исправить в рамках одной серии преобразований Фурье, так как длина преобразования должна совпадать с длиной бита, чтобы в случае хорошей битовой синхронизации можно было использовать результаты преобразований Фурье для детектирования и приема сигнала.

[0096] В связи с этим начинают дополнительные серии преобразований Фурье - вторую: с 257 отсчета до отсчета 1280, далее с 1281 до 2304 и т.д. Данная серия будет сдвинута относительно первой на 256 отсчетов, что составляет четверть длины бита. Аналогично еще две серии - с 513 до 1536 и далее с 1537 до 2560 отсчета и так далее со сдвигом на половину длины бита относительно первой серии, и четвертая серия - с 769 до 1972 и так далее со сдвигом в три четверти длины бита. Первый блок следующего ряда, добавленного аналогичным образом, будет вторым блоком первого ряда, и далее 5-й ряд будет совпадать с первым.

[0097] Теперь если, например, бит начался около 500 отсчета, значит он начался близко к началу третьего ряда сдвигов, значит внутри блока с 512 по 1536 отсчеты будут принадлежать, в большинстве своем, к одному и тому же биту, как и далее для всех блоков в этом ряду.

[0098] Видно, что в самом плохом случае бит может начаться между началами соседних блоков, например, около 128 отсчета. Тогда такой бит будет пересекаться как с блоком 1-1024, так и с блоком 256-1280 на 7/8 своей длины, что позволяет принять сигнал в одном из случаев (или даже в обоих).

[0099] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах воплощения настоящей технологии расстояние между поднесущими преобразования Фурье составляет примерно 50 Гц. Полоса пропускания сигнала составляет величину порядка 70 Гц. В силу того, что точная частота принимаемого сигнала неизвестна, возможна ситуация, когда центр полосы пропускания принимаемого сигнала окажется между поднесущими преобразования Фурье.

[00100] Аналогично обстоит ситуации с временной синхронизацией, центр полосы пропускания принимаемого сигнала может находиться ближе к одной из поднесущих преобразования Фурье.

[00101] Для добавления новых частотных позиций поднесущих каждый поток данных поступает на блок добавления частотных сдвигов, который также находится на системе 500. Каждый сдвиг, как уже говорилось выше, меньше расстояния между поднесущими БПФ и служит для повышения размерности БПФ. Все М потоков сдвигаются по частоте на F сдвигов (включая сдвиг на 0 Гц, то есть отсутствие сдвига). Таким образом, суммарно на БПФ поступают данные с M*F вариантами сдвигов в частоте и времени.

[00102] Для этого входные данные сдвигают по частоте аналогично сдвигам по времени, чтобы полученные сдвиги заполняли пространство между поднесущими одного преобразования Фурье.

[00103] Например, в случае расстояния 50 Гц между поднесущими Фурье, сдвиги производятся на частоту +16 Гц и +33 Гц (что то же самое, что на -16 Гц с точностью до соседних поднесущих), таким образом, сетка поднесущих преобразования Фурье для всей системы 500 расширится. К частотам 0 Гц, +-50 Гц, +-100 Гц и т.д. добавятся частоты +-16 Гц, +-32 Гц, +-66 Гц и т.д.

[00104] В качестве примера воплощения на Фиг. 4 показаны две амплитудно-частотные характеристики соседних поднесущих БПФ (синим цветом). На рисунке видно, что некоторые сообщения (показано красным цветом) не совпадают по частоте ни с одной поднесущей преобразования Фурье. Это может приводить к невозможности детектирования сообщения из-за указанной разницы в частоте, а также к ухудшению соотношения сигнал-шум на выходе преобразования Фурье. Также на Фиг. 4 показано направление одного из частотных сдвигов, который увеличивает заштрихованную область сдвига сигнала в направлении ближайшей поднесущей.

[00105] На вход БПФ будут поступать M*F независимых параллельных канала данных (со всеми возможными частотными сдвигами и всеми временными сдвигами). Соответственно на выходе каждого БПФ будет по N каналов, всего - M*N*F.

[00106] Шаг 140: демодулируют все каналы в частотной области независимо друг от друга.

[00107] Над потоками данных производят операции, необходимые для детектирования сообщений. Например, может использоваться поиск преамбулы сообщения, символьная синхронизация, исправление ошибок, устранение влияния канала и другие операции. При этом все каналы демодулируются независимо друг от друга демодулятором 550 без учета того, что сообщения в таких каналах могут совпадать по времени и частоте. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах воплощения настоящей технологии проверка сообщений на целостность и правильность приема производится после демодуляции посредством проверки контрольной суммы. Например, с этой целью используется проверка с помощью циклического избыточного кода, передаваемого в составе сообщения. Вычисляется значение кода для принятого сообщения и сравнивается с переданным значением кода, вычисленным на стороне передающего устройства. Для правильно переданного и принятого сообщения эти значения совпадают.

[00108] В одном из не имеющих ограничительного характера вариантов воплощения настоящей технологии демодулятор 550 использует независимо синфазную и квадратурную составляющие каждого полученного в частотной области канала. Например, данные могут быть приняты согласно знакам составляющих, причем положительное значение может соответствовать нулевому биту данных, а отрицательное единичному, либо наоборот. Для устранения неопределенности могут быть использованы известные из уровня техники методы. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах воплощения настоящей технологии для определения соответствия бит знакам может использоваться преамбула. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах воплощения настоящей технологии для этого может использоваться контрольная сумма.

[00109] В не имеющих ограничительного характера вариантах воплощения настоящей технологии для проверки целостности полученных сообщений после демодуляции используется передаваемая в составе сообщения контрольная сумма (например, циклический избыточный код).

[00110] Система 500 приема сообщений телеметрической информации по РЧ-каналу может быть реализована, без ограничения, как схематично показано на Фиг. 5.

[00111] В соответствии с не имеющими ограничительного характера вариантами воплощения настоящей технологии беспроводная связь может быть реализована посредством приемопередатчика субгигагерцового диапазона типа АХ5043 и т.д.

[00112] Система 500 содержит, по меньшей мере, один вычислитель 540, сконфигурированный с возможностью осуществления сдвигов полученного во времени и в частоте сигнала. В частности, предварительно вычислитель 540 производит сдвиги сигнала по времени таким образом, чтобы величины сдвигов равномерно заполняли длительность одного бита данных. Затем вычислитель 540 производит сдвиги сигнала по частоте таким образом, чтобы величины сдвигов равномерно заполняли расстояние между поднесущими преобразования Фурье, которые независимы от сдвигов по времени; каждый полученный на предыдущем шаге сигнал подвергается последовательным преобразованиям Фурье, причем первый временной элемент каждого следующего преобразования располагается сразу после последнего элемента предыдущего преобразования.

[00113] Данные шаги способа (шаги 120-130), которые выполняет вычислитель 540, более подробно раскрыты выше при описании способа.

[00114] Вычислитель 540 может быть реализован как программно, так и аппаратно. Вычислитель 540 может содержать процессоры обработки сигналов (DSP) или нейросетевые процессоры разного типа. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах воплощения настоящей технологии вычислитель 540 может выполнять шаги 120-130 параллельно.

[00115] Также система 500 может включать память 510, состоящую из памяти данных и памяти программ. Память программ хранит программы для управления общей работой системы на кристалле. Память 510 может включать в себя внешнюю память, такую как, например, флэш-память (стандарта) CompactFlash (CF), флэш-память формата Secure Digital (SD), флэш-память формата Micro-SD, флэш-память формата Mini-SD, флэш-память формата Extreme Digital (xD), карту памяти (цифрового фотоаппарата) или подобное. Память 510 может также включать в себя дисковое 3У, такое как, например, накопитель на жестком диске (HDD) или твердотельный диск (SSD).

[00116] Система 500 может дополнительно включать в себя антенну 530, которая может быть как передающая, так и принимающая, соединенную с РЧ-модулем 520, причем антенна 530 включает в себя один или более антенных элементов. В качестве альтернативы, или в дополнение, одна или больше из антенн 530 могут представлять собой специально выделенную(-ые) приемную(-ые) антенну(-ы) или специально выделенную(-ые) передающую(-ие) антенну(-ы).

[00117] Система 500 также может содержать демодулятор 550, выполненный с возможностью демодулирования всех каналов в частотной области независимо друг от друга, как показано выше на шаге 140.

[00118] Система 500 может быть реализована на нескольких кристаллах, помещенных в единый корпус (англ. System in a package, SiP).

[00119] В одном из не имеющих ограничительного характера вариантов воплощения настоящей технологии радиочастотные принимающие устройства и передающие устройства выполнены по меньшей мере на одном полупроводниковом кристалле. Такие микросхемы выполняют различные частные функции радиочастотных преобразований сигнала - усиление, ослабление, изменение центральной частоты и т.п.

[00120] В другом не имеющем ограничительного характера варианте воплощения настоящей технологии каждое радиочастотное принимающее устройство выполнено на одной полупроводниковой микросхеме, а также и каждое радиочастотное передающее устройство выполнено на одной полупроводниковой микросхеме. В этом случае используются микросхемы с более высокой степенью интеграции так, что все необходимые функции принимающего и передающего устройства выполняются только одной микросхемой (за исключением простых необходимых внешних элементов и генератора опорного сигнала).

[00121] Все блоки, используемые в системе 500, могут быть реализованы с помощью электронных компонентов, используемых для создания цифровых интегральных схем. Считается, что подробности такой реализации будут очевидными для специалиста в данном уровне техники и не описаны здесь в явном виде. Для реализации блоков могут использоваться микросхемы, логика работы которых определяется при их изготовлении либо логика работы которых задается посредством программирования.

[00122] Некоторые части описания не имеющих ограничительного характера вариантов воплощения настоящей технологии представлены в виде алгоритмов и символического представления операций с битами данных в памяти кристалла. Такие описания и представления алгоритмов представляют собой по сути средства, используемые специалистами в области обработки данных, чтобы наиболее эффективно передавать сущность технического решения другим специалистам в данной области. В настоящем документе и, в целом, алгоритмом называется последовательность вычислительных операций, приводящих к желаемому результату. Такие операции требуют физических манипуляций с физическими величинами. Обычно, хотя и не обязательно, эти величины принимают форму электрических или магнитных сигналов, которые можно хранить, передавать, комбинировать, сравнивать и подвергать другим манипуляциям.

[00123] Однако следует иметь в виду, что все эти термины должны быть связаны с соответствующими физическими величинами, и что они представляют собой просто удобные названия, применяемые к этим величинам. Если иное специально и недвусмысленно не указано в формуле изобретения, следует принимать, что везде по тексту такие термины, как «определение», «вычисление», «расчет», «получение», «установление», «изменение» и т.п., относятся к действиям и процессам вычислительного устройства, например, системы на кристалле, или аналогичного электронного вычислительного устройства, которое работает с данными и преобразует данные, представленные в виде физических (например, электронных) величин в регистрах и памяти вычислительного устройства, в другие данные, аналогичным образом представленные в виде физических величин в памяти или регистрах вычислительного устройства, либо других подобных устройствах хранения, передачи или отображения информации.

[00124] Не имеющие ограничительного характера варианты воплощения настоящей технологии, описанные в настоящей заявке, могут иметь другие конкретные формы в рамках конструкций, способов или других существенных характеристик изобретения в соответствии с приведенным в данном документе подробным описанием и нижеследующей формулой изобретения. Описанные варианты воплощения изобретения должны рассматриваться во всех отношениях только как иллюстративные и не ограничительные. Таким образом, объем правовой охраны изобретения определен в независимых пунктах прилагаемой формулы изобретения, а не предыдущим описанием.

Реферат

Изобретение относится к сетям связи. Технический результат - обеспечение приема сообщений по нескольким каналам на нескольких скоростях. Способ приема сообщений телеметрической информации по РЧ-каналу, осуществляемый на системе на кристалле, при котором получают сигнал с выхода входного РЧ-модуля; производят сдвиги полученного во времени и в частоте сигнала, причем предварительно производят сдвиги сигнала по времени таким образом, чтобы величины сдвигов равномерно заполняли длительность одного бита данных; затем производят сдвиги сигнала по частоте таким образом, чтобы величины сдвигов равномерно заполняли расстояние между поднесущими преобразования Фурье, которые независимы от сдвигов по времени; выполняют обработку каждого обработанного на предыдущем шаге сигнала посредством последовательных преобразований Фурье, причем первый временной элемент каждого следующего преобразования располагается сразу после последнего элемента предыдущего преобразования; демодулируют все сообщения независимо друг от друга. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула