способ синхронизации устройств связи с пседвослучайной перестройкой рабочей частоты

Формула изобретения

Способ синхронизации устройств связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты, заключающийся в том, что используют фиксированное число рабочих частот, синхронизацию осуществляют путем передачи маркеров, содержащих заранее заданные последовательности или идущие подряд блоки данных, по значению которых можно определить местоположение принятого блока маркера в общей структуре маркера синхронизации, в приемнике осуществляют последовательный прием информации на нескольких частотах, при этом на каждой частоте длительность приема такова, что исключает пропуск маркера, переданного на этой частоте, принятый маркер имеет структуру, позволяющую его детектировать за счет наличия в нем заранее заданных последовательностей, дополнительно маркер содержит значение, позволяющее однозначно идентифицировать положение полученного маркера в общей структуре посылки синхронизации, после приема маркера на основании его структуры в приемнике осуществляют синхронизацию программы перестройки частоты, отличающийся тем, что

используют изменяемый во времени порядок использования рабочих частот, зависящий от значения временной шкалы системы связи, маркер синхронизации передают только на начальной частоте, соответствующей текущему значению временной шкалы передатчика, при приеме в приемнике осуществляют периодический поиск маркера синхронизации на частотах, соответствующих предыдущему, текущему и последующему временным интервалам временной шкалы приемника.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радиосвязи, а именно к области систем радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты.

В ряде систем радиосвязи осуществляют передачу информации с использованием псевдослучайной перестройки рабочей частоты (ППРЧ) [1]. Перестройка рабочей частоты осуществляется по псевдослучайному закону, входными параметрами которого могут быть текущее время и некоторое секретное значение, выходным значением является номер рабочей частоты, используемой для связи в текущем интервале времени. Использование секретного значения позволяет защититься от подстройки к системе связи посторонних устройств, что затрудняет перехват информации в канале связи. При этом все взаимодействующие устройства должны знать секретное значение. Секретное значение вводится заранее и является долговременным параметром системы связи. Использование текущего времени позволяет осуществлять динамическое изменение рабочей частоты во времени, что существенно затрудняет перехват информации в канале связи. При этом время во взаимодействующих устройствах системы связи должно быть синхронизировано. В случае потери синхронизации возможно нарушение связи.

Обеспечение требуемого уровня синхронизма взаимодействующих устройств возможно как с использованием внутренних высокостабильных источников времени, например атомных часов, так и с использованием внешних источников точного времени, например систем глобального позиционирования. В ряде случаев применение подобных способов синхронизации невозможно, например, по причинам массогабаритных ограничений или ограничений на энергопотребление устройств. В этих случаях применяют способы синхронизации в процессе вхождения в связь или способы обеспечения синхронизации с невысокой точностью с увеличением точности синхронизации в процессе вхождения в связь.

Известен способ синхронизации систем связи с ППРЧ, описанный в статье [2]. В известном способе для синхронизации последовательностей перестройки рабочей частоты используют заранее определенную выделенную частоту для передачи немодулированной последовательности синхронизации. В процессе работы абоненты системы связи должны периодически осуществлять прием синхронизирующей последовательности на частоте ожидания и корректировать свои сетки синхронизации в соответствии с принятой последовательностью. Недостатком известного способа является низкая помехозащищенность, особенно в случае постановки преднамеренных помех и необходимость выделения специальных устройств связи (например, базовых или центральных станций) для формирования синхронизирующих сигналов. Низкая помехозащищенность обусловлена нарушением работоспособности всей системы связи в случае возникновения помехи на частоте ожидания. Дополнительным недостатком является сложность построения децентрализованных систем связи с использованием известного способа, например конвенциональных систем радиосвязи.

Известен способ, описанный в заявке на патент RU № 2001102653 [3], класс МПК⁷ H04B 1/713, H04L 5/06, H04J 3/06, позволяющий передавать двоичную информацию в системе связи с ППРЧ. В известном способе изменение рабочей частоты осуществляется по псевдослучайному закону в псевдослучайные моменты времени, гарантированно синхронизированные для передающей и принимающей сторон. Синхронизация осуществляется путем использования дополнительных синхронных псевдослучайных последовательностей. Недостатком известного способа является необходимость точной синхронизации передающей и принимающей сторон.

Известен способ, описанный в патенте RU № 2290785 [4], класс МПК⁷ H04B 1/713, H04B 7/00, позволяющий передавать двоичную информацию в системе связи с ППРЧ. В известном способе передаваемые двоичные данные разбивают на блоки и на основании значения каждого блока формируют код псевдослучайной последовательности и код номера несущей частоты. Осуществляют модуляцию сигнала сформированным кодом псевдослучайной последовательности и передачу модулированного сигнала на частоте, соответствующей коду номера несущей частоты. При приеме осуществляют корреляционный поиск всех возможных модулированных сигналов на всех возможных частотах передачи. Недостатком известного метода является повышенная сложность аппаратуры приемника, что обусловлено необходимостью вести параллельный прием всех возможных сигналов на всех возможных частотах.

Известен способ, описанный в патенте US № 4677617 [5], класс МПК⁷ H04J 3/06, H04B 15/00, H04K 1/00, позволяющий осуществлять синхронизацию устройств в системе связи с ППРЧ. В известном способе выделяют одно из устройств для хранения времени и осуществления синхронизации. Устройства, не синхронизированные по времени, находятся в режиме ожидания до момента временной синхронизации. При этом весь период связи делится на интервалы, и для каждого интервала генерируются уникальные коды синхронизации, которые определяют частоты для ожидания синхронизации и частоты для передачи данных. При этом таблица частот изменяется в зависимости от момента времени. Недостатком известного способа является функциональное разделение частот и необходимость наличия как минимум одного устройства, задающего временную синхронизацию. Указанные недостатки существенно снижают помехоустойчивость и живучесть системы связи в условиях преднамеренных помех.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является способ, описанный в патенте US № 4558453, МПК⁷ H04B 15/002 [6]. В способе-прототипе осуществляют синхронизацию системы связи с ППРЧ, использующую фиксированное число рабочих частот. Синхронизация осуществляется путем передачи маркеров специальной структуры, последовательно передаваемых на всех рабочих частотах системы связи. Приемник осуществляет последовательный прием информации на всех рабочих частотах. При этом на каждой рабочей частоте длительность приема такова что обеспечивает обязательный прием маркера переданного на этой рабочей частоте. Принятый маркер имеет структуру, позволяющую относительно просто его детектировать за счет наличия в нем заранее заданных последовательностей, например последовательностей Баркера. Дополнительно маркер содержит значение, позволяющее однозначно идентифицировать положение полученного маркера в общей структуре посылки синхронизации. После приема маркера на основании его структуры приемник осуществляет синхронизацию программы перестройки частоты. Дополнительно, для повышения точности синхронизации приемник осуществляет прием последующих маркеров. Недостатком способа-прототипа является существенное возрастание времени синхронизации при увеличении числа рабочих частот, что обусловлено необходимостью «медленного» перебора всех рабочих частот приемником системы связи.

Таким образом, для решения задачи синхронизации устройств связи с ППРЧ, необходимо обеспечить временную синхронизацию передатчика и приемника с обеспечением приемлемой длительности цикла синхронизации в децентрализованных системах радиосвязи с меняющейся во времени программой перестройки рабочих частот, при этом исключить использование специально выделенных для синхронизации частоты и параллельный прием с использованием в устройстве связи нескольких одновременно работающих приемников.

Техническим результатом заявленного способа является обеспечение синхронизации передатчика и приемника системы связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты путем использования грубой синхронизации на основе внутренней шкалы времени устройств и точной синхронизации на основе посылки маркера специальной структуры.

Технический результат достигается тем, что в способе синхронизации устройств связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты используют фиксированное число рабочих частот. Синхронизацию осуществляют путем передачи маркеров специальной структуры. Приемник осуществляет последовательный прием информации на нескольких частотах, при этом на каждой частоте длительность приема такова, что исключает пропуск маркера, переданного на этой частоте. Маркер имеет структуру, позволяющую его детектировать за счет наличия в нем заранее заданных последовательностей. Дополнительно маркер содержит заранее заданные последовательности или идущие подряд блоки данных, по значению которых можно определить местоположение принятого блока маркера в общей структуре маркера синхронизации. После приема блока маркера на основании его структуры приемник осуществляет синхронизацию программы перестройки рабочей частоты. Для повышения точности синхронизации приемник может осуществлять прием последующих маркеров. При этом используют изменяемый во времени порядок использования рабочих частот, зависящий от значения временной шкалы системы связи. Маркер синхронизации передают только на начальной частоте, соответствующей текущему значению временной шкалы передатчика. При приеме приемник осуществляет периодический поиск маркера синхронизации на частотах, соответствующих предыдущему, текущему и последующему временным интервалам временной шкалы приемника.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 приведена временная диаграмма возможной рассинхронизации временных шкал передатчика и приемника.

На фиг. 2 приведена временная диаграмма приема маркера синхронизации в случае отставания временной шкалы передатчика от временной шкалы приемника.

На фиг. 3 приведена временная диаграмма приема маркера синхронизации в случае опережения временной шкалы приемника временной шкалой передатчика.

На фиг. 4 приведена возможная структура маркера синхронизации.

На фиг. 5 приведена временная диаграмма, иллюстрирующая соотношение между длительностью маркера и временем его поиска на конкретной рабочей частоте.

На фиг. 6 приведена структура устройства, реализующего заявленный способ.

Система связи, реализующая заявленный способ, работает следующим образом.

В системе связи, реализующей заявленный способ, осуществляют передачу информации с использованием механизма ППРЧ. При этом для формирования псевдослучайного закона перестройки рабочей частоты помимо прочих параметров используют текущее время, числовые значения, уникальным образом присвоенные каждому временному интервалу (номер временного интервала), на которые разбито все время работы системы связи. В пределах одного временного интервала система связи использует псевдослучайный закон перестройки рабочей частоты, определяемый номером временного интервала. Длительность временных интервалов (Т_ИНТ, фиг. 1), дискретность времени, определяется из различных соображений. Например, уменьшение дискретности времени приводит к улучшению защищенности системы связи от несанкционированного перехвата, но при этом увеличивается возможность рассинхронизации временных шкал в передающем и принимающем устройствах, что может привести к нарушению работы системы связи.

Отсчет временных шкал в устройствах связи ведут с использованием устройств отсчета времени с относительно низкой точностью. Например, для устройств отсчета времени, построенных на основе часов реального времени в микроэлектронном исполнении, точность составляет порядка ±2 минуты в год [7].

Рассинхронизация устройств отсчета времени в различных устройствах связи может привести к рассинхронизации устройств связи, работающих в системе связи, реализующей заявленный способ. Например, на фиг. 1 показана ситуация ухода вперед (опережения) временной шкалы приемника по сравнению с временной шкалой передатчика на величину T. На фиг. 1 через , и обозначены временные интервалы передатчика, через , и обозначены вверенные интервалы приемника. При этом предполагается, что значения интервалов , и передатчика соответственно совпадают со значениями интервалов , и приемника.

Предполагается, что отсчет времени в устройствах ведется с точностью обеспечивающей рассинхронизацию значений временных шкал передающего и принимающего устройства на величину не более единицы. Т.е. значение временной шкалы передатчика может отставать от значения временной шкалы приемника на величину, не большую единицы (фиг. 2). Или значение временной шкалы приемника может опережать значение временной шкалы передатчика на величину, не большую единицы (фиг. 3).

Для устранения возможной рассинхронизации передатчик передачу информацию в канал связи предваряет передачей маркера синхронизации. При этом на основании показаний времени устройства отсчета времени, входящего в состав передатчика, передатчик определяет текший временной интервал шкалы времени и определяет соответствующую этому временному интервалу начальную рабочую частоту и осуществляет передачу маркера синхронизации на этой частоте.

Маркер синхронизации имеет специальную структуру, заранее известную приемнику и передатчику и состоящую из идущих подряд блоков данных, по значению которых можно определить местоположение блока в общей структуре маркера синхронизации и значения которых обеспечивают кодовую синхронизацию. Структура маркера синхронизации может быть постоянной или изменяться динамически, например, на основе значения временного интервала, в пределах которого он передается. Например, возможная структура маркера синхронизации представлена на фиг. 4. В этом случае маркер синхронизации состоит из маркеров, каждый из которых предваряется преамбулой, далее идет код Баркера, после кода Баркера следует порядковый номер маркера в общей структуре маркера синхронизации. Например, для частотной модуляции преамбула может состоять из сигнала модулированного последовательностью чередующихся нулей и единиц [1]. Известно, что коды Баркера обеспечивают хорошую кодовую синхронизацию [1]. Значение порядкового номера маркера позволяет идентифицировать положение принятого маркера в общей структуре маркера синхронизации. Длительность передачи маркера синхронизации на фиг. 2 и фиг. 4 обозначена как T_{МАРКЕРА}. Длительность маркера фиг. 5 обозначена как T_{Прд.мар.}.

Для осуществления приема приемник осуществляет периодический поиск маркера синхронизации, при этом период поиска маркера синхронизации (T_ПРИЕМА фиг. 2 и фиг. 3) должен быть не менее длительности передачи маркера синхронизации (T_ПРИЕМА T_{МАРКЕРА}). В противном случае возможен пропуск маркера синхронизации приемником.

С учетом возможной рассинхронизации передающего и принимающего устройства на величину не более длительности временного интервала шкалы времени системы связи возможны три ситуации: ресинхронизация отсутствует, временная шкала передатчика отстает от временной шкалы приемника на единицу, временная шкала приемника опережает временную шкалу передатчика на единицу. Для устранения возможной рассинхронизации приемник предполагает возможность наличия всех трех ситуаций и при приеме осуществляет последовательный поиск маркера на рабочих частотах, соответствующих текущему временному интервалу, предыдущему временному интервалу и последующему временному интервалу. При этом поиск маркера синхронизации на каждой из трех частот осуществляется в течение времени (T_{Поиск. мар.} фиг. 5), не менее чем в два раза большем, чем время передачи маркера из состава маркера синхронизации (T_{Поиск. мар.} 2·T_{Прд. мар.}). В противном случае возможен пропуск маркера приемником (фиг. 5). На фиг. 5 через М₁ (t_i), М₂(ti), , М_n(t_i) обозначены интервалы передачи 1, 2, n-го маркеров на частоте, соответствующей временному интервалу t_i. Через П(t_i), П(t_i+1), П(t _i+2) обозначен поиск маркеров на частотах, соответствующих предыдущему t_i, текущему t_i+1 и последующему t_i+2 временным интервалам по временной шкале приемника.

При обнаружении маркера на одной из рабочих частот приемник фиксирует время приема маркера и его положение (порядковый номер) в маркере синхронизации. По значению рабочей частоты приемник может установить номер временного интервала, использованного передатчиком. Дополнительно зная порядковый номер маркера, заранее известную привязку маркера синхронизации к границам временных интервалов и длительность маркеров, приемник устанавливает величину расхождения своей временной сетки с временной сеткой передатчика. Зная эту величину, приемник подстраивает программу псевдослучайной перестройки частоты под временную шкалу передатчика, т.е. осуществляет синхронизацию с временной шкалой передатчика.

Для пояснения работы системы связи, реализующей заявленный способ, на фиг. 2 приведена временная диаграмма приема маркера синхронизации в случае отставания временной шкалы передатчика от временной шкалы приемника. В этом случае приемник обнаруживает маркер при поиске на рабочей частоте, соответствующей предыдущему временному интервалу П(t_i). При этом предполагается, что .

На фиг. 3 приведена временная диаграмма приема маркера синхронизации в случае опережения временной шкалы приемника временной шкалой передатчика. В этом случае приемник обнаруживает маркер при поиске на рабочей частоте, соответствующей последующему временному интервалу П(t_i). При этом предполагается, что .

Техническая реализуемость заявленного способа подтверждается устройством, реализующим заявленный способ.

Устройство связи, реализующее заявленный способ (фиг. 6), состоит из блока 1 микроконтроллера (МК), блока 2 таймера (ТМР), блока 3 приемопередатчика (ПМПД), блока 4 ключа коммутации (КЛ) и приемо-передающей антенны 5.

Блок 1 может быть реализован на основе микроконтроллеров серии LPC2000, производства компании NXP Corporation, блок 2 может быть реализован на основе микросхемы DS3231, производства компании Maxim Integrated Products, блок 3 может быть реализован на основе микросхемы CC1000, производства компании Texas Instruments, блок 4 может быть реализован на основе микросхемы HMC596LP4, производства компании Hittite Microwave Corporation.

Блока 1 имеет три входа и четыре выхода. Выход 1 блока 1 предназначен для приема от источника сообщений, подлежащих передаче в канал связи, выход 1 блока 1 предназначен для выдачи приемнику сообщений, принятых из канала связи. Вход 2 и выход 2 блока 1 соединены соответственно с выходом 1 и входом 1 блока 2 и предназначены для считывания с таймера показаний текущего времени и настройки таймера. Вход 3 и выход 3 блока 1 соединены соответственно с выходом 1 и входом 1 блока 3 и предназначены для приема демодулированной приемником информации и передачи информации подлежащей модуляции передатчиком, а также для управления блоком 3 со стороны блока 2. Выход 4 блока 1 соединен с входом 3 блока 4 и предназначен для управления режимом коммутации блока 4.

Как было показано выше блок 2 имеет один вход и один выход, соединенные соответственно с выходом 2 и входом 2 блока 1.

Блок 3 имеет два входа и два выхода. Как было показано выше, выход 1 и вход 1 блока 3 соединены соответственно с входом 3 и выходом 3 блока 1. Выход 2 и вход 2 блока 3 соединены соответственно с входом 1 и выходом 1 блока 4. Выход 2 предназначен для выдачи модулированного сигнала, вход 2 предназначен для приема сигнала из радиоканала.

Блок 4 имеет два входа, один выход и один совмещенный вход/выход. Как было показано выше, вход 1 и выход 1 блока 4 соединены соответственно с выходом 2 и входом 2 блока 3. Вход/выход 2 блока 4 соединен с приемо-передающей антенной 5 устройства. Вход 3 блока 4 соединен с управляющим выходом 4 блока 1. В зависимости от управляющего значения, поступающего на вход 3 блока 4, в блоке 4 осуществляется коммутация входа 1 на вход/выход 2 блока или входа/выхода 2 на выход 1 блока.

Перед началом работы системы связи осуществляют настройку устройств и их первоначальную синхронизацию. Например, через блок 1 устанавливают в блоке 2 отсчет времени с требуемой точностью, записывают в блок 1 параметры формирования программы перестройки рабочей частоты в зависимости от текущего времени, параметры пересчета астрономического времени в временную шкалу системы связи, порядок формирования маркера синхронизации, порядок определения привязки маркера синхронизации к границам временной шкалы системы связи и другие параметры системы связи.

При передаче информации устройство связи работает следующим образом. При поступлении на вход 1 блока 1 сообщения, подлежащего передаче, с выхода 2 блока 1 подают на вход 1 блока 2 запрос текущего времени и получают на вход 2 блока 1 значение текущего времени. На основании показаний времени в блоке 1 определяют текший временной интервал шкалы времени и определяют соответствующую этому временному интервалу начальную рабочую частоту. На основании показаний времени в блоке 1 формируют структуру маркера синхронизации и в соответствии со сформированными параметрами с выхода 3 блока 1 дают команду блоку 3 на передачу на определенной рабочей частоте сформированного маркера в момент времени, определяемый привязкой к границам временной шкалы системы связи. Дополнительно с выхода 4 блока 1 подают команду на вход 3 блока 4 на коммутацию входа 1 на вход/выход 2 блока 4. В блоке 3 осуществляют формирование аналогового сигнала, модулированного маркером синхронизации и выдают его с выхода 2 блока 3 на вход 1 блока 4. В блоке 4 осуществляют выдачу сигнала, поступившего на вход 1, на вход/выход 2, подключенный к приемо-передающей антенне. Далее устройство осуществляет передачу сообщения в канал связи в соответствии с формированной программой псевдослучайной перестройки рабочей частоты.

При приеме устройство связи работает следующим образом. Устройство связи осуществляет периодический поиск маркера синхронизации. При этом в соответствии с определенным заранее периодом поиска, исключающем пропуск маркера синхронизации, осуществляют запрос с выхода 2 блока 1 на вход 1 блока 2 текущего времени и получают значение текущего времени с выхода 1 блока 2 на вход 2 блока 1. На основании показаний времени в блоке 1 определяют текущий временной интервал шкалы времени и определяют соответствующую этому, предыдущему и последующим временным интервалам начальные рабочие частоты и формируют соответствующие структуры маркеров синхронизации. Далее с выхода 3 блока 1 подают на вход 1 блока 3 команду на прием из канала связи информации на начальной частоте, соответствующей предыдущему временному интервалу. При этом прием осуществляют в течение времени, исключающего пропуск маркера приемником. Дополнительно с выхода 4 блока 1 на вход 3 блока 4 подают команду на коммутацию входа/выхода 2 блока 4 на выход 1 блока 4. Принятый антенной сигнал из канала связи поступает на вход/выход 2 блока 4, далее на выход 1 блока 4 и далее на вход 2 блока 3, в блоке 3 осуществляют его демодуляцию. Демодулированные цифровые значения с выхода 1 блока 3 подают на вход 3 блока 1. В блоке 3 осуществляют поиск маркеров, соответствующих структуре маркера синхронизации для данного временного интервала. Приведенную процедуру выполняют последовательно для параметров, соответствующих предыдущему, текущему и последующему временным интервалам. При обнаружении приемником маркера на одной из рабочих частот фиксируют время приема маркера и его положение (порядковый номер) в маркере синхронизации и определяют параметры рассинхронизации. Далее корректируют работу приемника в соответствии с установленными параметрами рассинхронизации и осуществляют прием в соответствии с сформированной программой псевдослучайной перестройки рабочей частоты.

Таким образом, заявленный способ позволяет обеспечить синхронизацию средств связи в системе связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты путем использования грубой синхронизации на основе внутренней шкалы времени устройств и точной синхронизации на основе посылки маркера специальной структуры.

Заявленный способ позволяет создавать системы связи с меняющейся во времени программой перестройки рабочих частот, при этом не используют специально выделенные для синхронизации частоты и параллельный прием с использованием в устройстве связи нескольких одновременно работающих приемников.

Список литературы

[1] Скляр Бернард. Цифровая связь, Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. - 1104 с.: ил.

[2] Богданов А.Е., Самойлов А.Г., Самойлов С.А. Синхронизация систем связи с программной перестройкой рабочей частоты, Доклады 7-й Международной Конференции DSPA-2005 (Том 1), Москва, 2005.

[3] Заявка на изобретение RU № 2001102653, МПК⁷ H04B 1/713, H04L 5/06, H04J 3/06. Постников В.А., Шубенкин В.В. Способ и устройство псевдослучайной перестройки рабочей частоты, 27.01.2003.

[4] Патент RU № 2290785, МПК⁷ H04B 1/713, H04B 7/00. Козленко Н.И., Мокроусов А.Н., Зеленин А.Ю. Способ передачи дискретной информации в радиолинии со скачкообразной перестройкой рабочей частоты, 27.12.2006.

[5] Патент US № 4677617, МПК⁷ H04J 3/06, H04B 15/00, H04K 1/00. Roger J. O Connor, Keith A. Lain, Rapid frequency-hopping time synchronization, Jun. 30 1987.

[6] Патент US № 4558453, МПК⁷ H04B 15/00. Frederick Mimken. Synchronization method and frequency hoping communication system, Dec. 10 1985.

[7] DS3231 Extremely Accurate I2C-IntegratedRTC/TCXO/Crystal, 2010 Maxim Integrated Products, 2010.