Особенности построения модемов в цифровых системах технологической радиосвязи стандарта TETRA на железнодорожном транспорте

Введение

На железнодорожном транспорте необходимо обеспечить требуемое качество технологической радиосвязи и компенсировать негативные последствия старения оборудования. Сейчас имеется ограниченный диапазон возможностей, которые обеспечивают существующие аппаратные средства и технологии передачи сигнала. Нужна такая система цифровой радиосвязи, которая в перспективе станет одним из важнейших звеньев комплексной многоуровневой системы безопасности. В качестве такой системы будет использоваться сеть, построенная на основе стандарта транкинговой радиосвязи TETRA.

В связи с предполагаемым масштабным спросом на оборудование этого стандарта реальным выходом из ситуации может стать организация производства как базовых станций, так и абонентского оборудования в России. Такие наработки уже существуют.

В процессе выполнения работы по внедрению цифровых систем технологической радиосвязи (ЦСТР) должно быть наработано большое количество типовых технических решений, которые будут востребованы при дальнейшем развитии проектов цифровой радиосвязи ОАО «РЖД».

Постановка задачи

В цифровых системах радиосвязи используются специальные виды модуляции, отличающиеся от аналоговых видов. Это вызвано как особенностями цифрового сигнала, позволяющего использовать более эффективные функциональные зависимости между модулируемым и модулирующим сигналами, так и необходимостью обеспечения электромагнитной совместимости с другими существующими системами связи. В связи с внедрением стандарта TETRA на железнодорожном транспорте представляется актуальным рассмотреть особенности построения и реализации каналообразующих устройств для систем данного стандарта. В работе рассмотрены особенности построения и реализации модемов (модуляторов/демодуляторов) стандарта TETRA.

Результаты исследования

Для передачи сигнала по радиоканалу в стандарте TETRA используется дифференциальная квадратурная фазовая модуляция со сдвигом π/4 (π/4-DQPSK Differential Quadrature Phase Shift Keying). Данный вид модуляции позволяет формировать компактный спектр радиосигнала с малым уровнем внеполосных излучений при высокой скорости передачи информации и приемлемой помехоустойчивости.

Общая скорость сформированного в результате преобразования аналогового речевого сигнала в цифровой, последующего его кодирования и перемежения, а также формирования пакетов составляет 36 кбит/с.

В стандарте ТЕТКА применяется цифровая π/4-DQPSK модуляция, которая позволяет снизить скорость передачи информационного цифрового потока с 36 кбит/с до 18 кбит/с. Это обеспечивается за счет того, что π/4-DQPSK модуляция использует алфавит из четырех символов:

{- π/4; π/4; -3π/4; 3π/4},

каждому из которых ставится в соответствие два информационных бита (00, 01, 10, 11), передаваемых в общем потоке со скоростью 36 кбит/с.

Преимущества выбора модуляции вида π/4 -DQPSK проявляются в следующем:

- передача двух информационных бит одним символом в радиоканале увеличивает спектральную эффективность;

- передача информационных сообщений за счет изменения фазы несущей не требует при приеме абсолютной оценки фазы сигнала, при этом могут быть использованы простые схемы демодуляторов;

- передача сообщений в радиоканале осуществляется с постоянной огибающей.

Модемом принято называть устройство, осуществляющее модуляцию и демодуляцию. Модем отвечает за преобразование сигнала, фильтрацию и тот тип модуляции, который используется в системе. Функциональная схема модулятора системы стандарта TETRA приведена на рис. 1.

Рис. 1. π/4-DQPSK модулятор

Формирование сигнала происходит в несколько этапов. На первом этапе поступающие на вход модулятора биты цифрового сигнала объединяются попарно в дибиты. Каждому i-му дибиту в дешифраторе ставится в соответствие приращение фазового угла ∆φ_i. Зависимость между дибитом и приращением фазового угла приведена в таблице 1.

Табл. 1

Затем в накапливающем сумматоре, состоящем из линии задержки на длительность дибита и сумматора, происходит суммирование изменений фазы, в результате чего формируется фаза сигнала φ_i. Сформированный сигнал имеет вид последовательности дельта-функций с ограниченным набором нормированных значений амплитуды: 0, ±1/√2, ±1. Импульсный сигнал поступает на формирующие фильтры низкой частоты (ФНЧ). Эти фильтры предназначены для формирования спектра радиосигнала и определенной формы его комплексной огибающей.

Генератор и фазовращатель формируют квадратурные колебания несущей или промежуточной частоты f₀. После попарного перемножения квадратурных компонент и суммирования получим π/4 -DQPSK сигнал. Математически эти операции можно представить следующим образом:

- огибающая сигнала;

- фаза сигнала.

Блок-схема (упрощенная схема) модулятора и демодулятора приведена на рис.3 и рис.4, без формирования квадратурных колебаний несущей или промежуточной частоты f₀ и опорной частоты соответственно.

Рис. 2. π/4 -DQPSK демодулятор

Рис. 3.. Блок-схема модулятора π/4-DQPSK

Рис.4. Блок-схема демодулятора π/4-DQPSK

Для пояснения принципа демодуляции π/4-DQPSK сигнала приведем структурную схему демодулятора стандарта TETRA (рис.2).

На вход демодулятора поступает сигнал (1). Цепь, состоящая из генератора опорной частоты с автоподстройкой (АПЧ) и фазовращателя, формирует квадратурные опорные колебания, синхронизированные с несущей частотой сигнала. После перемножителей сигнал разделяется на квадратурные компоненты. Далее квадратурные компоненты фильтруются ФНЧ, параметры которых идентичны параметрам формирующих фильтров в модуляторе. В дифференциальном декодере (часть схемы между ФНЧ и дешифратором) осуществляется компенсация начальной фазы, и восстановление относительности приращений фазы на интервале принимаемых дибитов. Таким образом, на выходе дифференциального декодера формируются сигналы с относительными уровнями 0, ± 1/√2, ±1. Их соотношение в квадратурных каналах однозначно определяет принятый дибит. Необходимая перекодировка осуществляется в дешифраторе.

Символы сообщений кодируются относительным кодом и передаются в виде изменения фазы, а не абсолютных значений. Здесь А_k и В_k обозначают амплитуды нефильтрованных импульсов в каналах I и Q. Уровни сигналов А_k и В_k определяются уровнями сигналов предыдущих импульсов и текущим информационным символом, обозначенным Θ_k, в соответствии со следующими выражениями:

В выражении (2) Θ_k определяется символами I_k и Q_k источника сообщения. Соотношение между Θ_k и входными символами приведено в табл. 1. Как уже было отмечено, А_к и В_k могут принимать значения 0, ± 1/√2, ±1. После преобразования сигнала импульсный сигнал фильтруется фильтром низкой частоты с импульсной характеристикой (частотная характеристика вида корня квадратного из приподнятого косинуса) для минимизации межсимвольных искажений. Далее сигнал поступает на блок промежуточной частоты IQ модулятора для построения π/4 -DQPSK сигнала.

На приемной стороне присланные значения сигналов w(t) и z(t) фильтруются при помощи фильтра с характеристикой «корень квадратный из приподнятого косинуса», согласованного с фильтром на передающей стороне. Отфильтрованные отчеты поступают на блок дифференциального детектирования, где изменение фазы между двумя последовательными символьными интервалами можно выразить уравнениями [4]:

x_k=w_kw_k-1 + z_kz_k-1 (3)

y_k=z_k w_k-1 – w_k z_k-1 (4)

На заключительном этапе происходит восстановление данных с учетом тактовой синхронизации потока дибитов.

Реализация алгоритмов цифровой обработки сигналов возможна на различной элементной базе. Выбор конкретного воплощения алгоритма цифровой обработки сигналов производится разработчиком с учетом различных показателей, к которым относится стоимость, массогабаритные характеристики, энергопотребление, быстродействие и т.п. В системах подвижной радиосвязи главными показателями являются быстродействие (обработка должна выполняться в реальном времени) и массогабаритные характеристики, при этом желательно обеспечить малое энергопотребление и умеренную цену мобильной станции. В системах подвижной связи используются специализированные цифровые устройства, называемые цифровыми сигнальными процессорами - ЦСП (DSP -Digital Signal Processing). Кроме этого, в последнее время в устройствах цифровой обработки сигналов широкое распространение получили программируемые логические интегральные схемы — ПЛИС (FPGA - Field Programmable Gate Array).

Существовавший подход к использованию и проектированию радиосхем требует дополнительных устройств (плат, модулей) для реализации сложных процессов обработки информации в реальном масштабе времени. Как правило, такие устройства в последнее время реализуются с использованием DSP, которые, обладая мощной вычислительной структурой, позволяют реализовать различные алгоритмы обработки информационных потоков. Сравнительно невысокая цена, а также развитые средства разработки программного обеспечения позволяют легко внедрять подобные системы для реализации радиосхем.

В настоящее время на рынке электронных компонентов специализированных микросхем для применения в системах подвижной связи стандарта TETRA все чаще применяются решения компаний Consumer Microcircuits Limited (CML) и Texas Instruments. На рынке представлены такие цифровые сигнальные процессоры как СМХ980А, FX980 и TMS320C5x. На рис.5 показаны основные функции, выполняемые ЦСП СМХ980А

.

Рис. 5. Реализация модулятора на ЦСП СМХ980А

Передающая часть в данных ЦСП содержит все необходимые устройства для подготовки цифровых данных, отфильтрованных соответствующим образом, для последующего преобразования сигнала по высокой частоте и передачи. Она осуществляет цифровой контроль амплитуды выходного сигнала и программируемую цифровую фильтрацию.

Цифровые фильтры по умолчанию запрограммированы в соответствии с требованиями стандарта TETRA.

Приемная часть микросхем обеспечивает прием синфазной и квадратурной составляющих сигналов и преобразование их в цифровую форму после соответствующей фильтрации. Микросхема содержит вспомогательные АЦП, ЦАП и три канала связи с последовательным портом PC. Через эти каналы могут быть загружены коэффициенты для цифровых фильтров.

Для работы с микросхемами используются отладочные платы с программным обеспечением.

Модемы в стандарте TETRA возможно реализовать на основе ЦСП в сочетании с ПЛИС. Такое построение модема позволит увеличить битовую скорость передачи и обеспечит распределение нагрузки между ЦСП и ПЛИС, которая в свою очередь отвечает за цифровую фильтрацию сигнала. В настоящее время на рынке программируемых логических интегральных схем для использования в системах подвижной радиосвязи лидирующее место занимает компания Xilinx.

Блок-схема модулятора и демодулятора, построенных на ЦСП (DSP) совместно с ПЛИС (FPGA), приведена на рис. 6 и рис. 7 соответственно.

Рис.7

Краткий алгоритм работы модема можно определить следующим образом: последовательные данные поступают на мультиканальный буферный последовательный порт (MCBF - multichannel buffered serial port) цифрового сигнального процессора. Данные буферизуются (осуществляется промежуточное хранение данных) и в ЦСП (DSP) происходит преобразование сигнала. Выходные данные буферизуются и поступают на ПЛИС (FPGA) цифровой фильтрации, используя интерфейс внешней памяти (EMIF - external memory interface). Отфильтрованные данные поступают на цифро-аналоговый преобразователь.

На приемной части модема сигнал от демодулятора промежуточной частоты поступает на аналого-цифровой преобразователь, с выхода которого ПЛИС получает дискретные значения сигнала для последующей фильтрации. ЦСП считывает отфильтрованные значения из ПЛИС, используя EMIF.

Заключение

Представляется целесообразным для сокращения сроков внедрения г цифровых систем технологической радиосвязи стандарта TETRA для железнодорожного транспорта при разработке отечественной аппаратуры как базовой, так и абонентской использовать современную элементную базу, последние технические разработки в области подвижной радиосвязи, а также использовать кооперацию с зарубежными производителями в этой области. В дальнейшем, после накопления достаточного практического опыта переходить к отечественным разработкам всей номенклатуры изделий, входящих в структуры создаваемых систем связи.