Устройство формирования сигналов с четырехпозиционной манипуляцией
DEVICE FOR FORMING SIGNALS WITH FOUR-POSITION MANIPULATION

Изобретение относится к электросвязи, а именно к цифровой радиосвязи, и может быть использовано в системах передачи информации посредством помехозащищенных сигналов с четырехпозиционной манипуляцией.
Известна система передачи четверично-кодированных последовательностей с улучшенным значением помехоустойчивости по патенту РФ №2188516 от 27.08.2005, состоящая из генератора тактовых импульсов, формирователя D-кодов, формирователя сигналов двукратной частотно манипуляции, селектора сигналов, блока выделения дополнительных последовательностей, двухканального согласованного фильтра, вычитателя и решающего блока.
Недостатком аналога является относительно низкая помехозащищенность формируемого сигнала в условиях воздействия имитационных помех.
Известна система передачи четверично-кодированных радиосигналов с улучшенным значением помехоустойчивости и помехозащищенности (патент РФ №2258313 от 10.08.2005), состоящая из генератора тактовых импульсов, двух формирователей D-кодов, двух формирователей сигналов двукратной частотно манипуляции, сумматора, модулятора, двух синтезаторов частот, двух генераторов псевдослучайных чисел, демодулятора, селектора сигналов, генератора тактовых импульсов, блока выделения дополнительных последовательностей, блока свертки дополнительных последовательностей, решающего блока.
Недостатком аналога является низкая помехозащищенность формируемого сигнала при воздействии имитационных помех.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является устройство формирования сигналов четырехпозиционной квадратурной манипуляции с повышенной помехоустойчивостью (патент РФ на полезную модель №165173 от 10.10.2016). Данное устройство выбрано в качестве прототипа. Устройство состоит из делителя частоты, выход которого подключен к второму входу синхронизатора, к второму входу балансного модулятора (БМ) и к входу фазовращателя на 90°, выход которого подключен к второму входу балансного модулятора и к второму входу синхронизатора, к первому входу которого подключен выход источника второго информационного импульса.
Выход синхронизатора подключен к второму входу фазового манипулятора, к первому входу которого подключен выход фазовращателя на 90°. Выход фазового манипулятора подключен к первому входу балансного модулятора (БМ), выход которого подключен к второму входу сумматора. К первому входу синхронизатора подключен выход источника первого информационного импульса, а выход синхронизатора подключен к второму входу фазового манипулятора, выход которого подключен к входу БМ.
Выход БМ подключен к первому входу сумматора, выход которого является выходом устройства. Первый выход генератора подключен к входу блока умножения, выход которого подключен к первому входу коммутатора. Второй выход задающего генератора подключен к входу блока деления, выход которого подключен к второму входу коммутатора, к третьему входу которого подключен выход источника первого информационного импульса.
На четвертый вход коммутатора подключен выход второго источника информационного импульса. Выход коммутатора подключен к первому входу фазового манипулятора, к входу фазовращателя и к входу делителя частоты. Синхронизатор состоит из импульсного фазового детектора (ИФД), управляемой линии задержки (УЛЗ), амплитудного ограничителя, вход которого является входом синхронизатора, а выход подключен ко второму входу ИФД, первый вход которого является входом синхронизатора. Выход ИФД подключен к первому входу УЛЗ, второй вход которой соединен с входом, а выход - с выходом синхронизатора.
Данное устройство формирует сигнал четырехпозиционной амплитудной манипуляции с локализацией энергии сигнала в узкой полосе частот, что способствует некоторому повышению его помехоустойчивости. Недостатком прототипа является низкая помехозащищенность при воздействии имитационных помех.
Целью изобретения является разработка устройства формирования сигналов четырехпозиционной манипуляции с повышенным значением помехозащищенности при воздействии имитационных помех.
Для достижения заданной цели в известное устройство, состоящее из источника сообщений (1), первого сумматора (16), дополнительно введены дешифратор (3), первый (4), второй (5), третий (6), четвертый (7) синтезаторы частот, первый (8), второй (9), третий (10), четвертый (11), пятый (12), шестой (13), седьмой (14), восьмой (15) управляемые ключи, второй (17), третий (18), четвертый (19) сумматоры, первый (20), второй (21), третий (22), четвертый (23) генераторы псевдослучайной последовательности (ПСП), регистр сдвига (24), схема «И» (25), скремблер (2).
Вход скремблера (2) подключен к выходу источника сообщений (1), а выход подключен к входу дешифратора (3), первый (3.1), второй (3.2), третий (3.3), четвертый (3.4) сигнальные выходы которого подключены к управляющим входам (8.2) первого (8), (9.2) второго (9), (10.2) третьего (10), (11.2) четвертого (11) управляемых ключей соответственно, а к высокочастотным входам (8.1) первого (8), (9.1) второго (9), (10.1) третьего (10), (11.1) четвертого (11) управляемых ключей подключены соответствующие выходы первого (4), второго (5), третьего (6), четвертого (7) синтезаторов частот.
Первый сумматор (16) содержит четыре входа (16.1), (16.2), (16.3), (16.4), к которым подключены соответственно выходы первого (8), второго (9), третьего (10), четвертого (11) управляемых ключей, а выход (16.5) первого сумматора (16) является выходом устройства. Выход первого генератора ПСП (20) подключен к входу регистра сдвига (24), к первому входу (12.1) пятого управляемого ключа (12) и к второму входу (17.2) второго сумматора (17), к первому входу (17.1) которого подключен выход второго генератора ПСП (21).
Выход второго сумматора (17) подключен к первому входу (13.1) шестого управляемого ключа (13) и к второму входу (18.2) третьего сумматора (18), к первому входу (18.1) которого подключен выход третьего генератора ПСП (22), а выход третьего сумматора (18) подключен к первому входу (14.1) седьмого управляемого ключа (14) и к второму входу (19.2) четвертого сумматора (19), к первому входу (19.1) которого подключен выход четвертого генератора ПСП (23).
Выход четвертого сумматора (19) подключен к первому входу (15.1) восьмого управляемого ключа (15), выходы (24.1) и (24.2) регистра сдвига (24) подключены к первому и второму входам схемы «И» (25) соответственно, выход которой подключен к вторым входам (12.2) пятого (12), (13.2) шестого (13), (14.2) седьмого (14), (15.2) восьмого (15) управляемых ключей, выходы которых подключены к входам первого (4), второго (5), третьего (6), четвертого (7) синтезаторов частот соответственно.
Благодаря новой совокупности существенных признаков производится формирование четырехпозиционного сигнала методом расширения его спектра за счет применения частотно-временных матриц (ЧВМ) и режима медленной программной перестройки рабочих частот (ППРЧ). При этом заполнение ЧВМ осуществляется кодированием элементами информационной битовой последовательности номиналов рабочих частот на временном интервале случайной длительности. При таком способе формирования сигнала в радиоканале в фиксированный момент времени передается рабочая частота, выбранная в соответствии с ЧВМ, без признаков модуляции. Такой способ формирования сигнала, реализованный в заявленном устройстве, способствует повышению его помехозащищенности при воздействии имитационных помех.
Заявляемое устройство поясняется фиг.1, на которой показана структурная схема устройства формирования сигналов с четырехпозиционной манипуляцией.
Заявленное устройство, показанное на фиг. 1, состоит из источника сообщений (1), скремблера (2), дешифратора (3), первого (4), второго (5), третьего (6), четвертого (7) синтезаторов частот, первого (8), второго (9), третьего (10), четвертого (11), пятого (12), шестого (13), седьмого (14), восьмого (15) управляемых ключей, первого (16), второго (17), третьего (18), четвертого (19) сумматоров, первого (20), второго (21), третьего (22), четвертого (23) генераторов псевдослучайной последовательности (ПСП), регистра сдвига (24), схемы «И» (25).
Вход скремблера (2) подключен к выходу источника сообщений (1), а выход подключен к входу дешифратора (3), первый (3.1), второй (3.2), третий (3.3), четвертый (3.4) сигнальные выходы которого подключены к управляющим входам (8.2) первого (8), (9.2) второго (9), (10.2) третьего (10), (11.2) четвертого (11) управляемых ключей соответственно, а к высокочастотным входам (8.1) первого (8), (9.1) второго (9), (10.1) третьего (10), (11.1) четвертого (11) управляемых ключей подключены соответствующие выходы первого (4), второго (5), третьего (6), четвертого (7) синтезаторов частот.
Первый сумматор (16) содержит четыре входа (16.1), (16.2), (16.3), (16.4), к которым подключены соответственно выходы первого (8), второго (9), третьего (10), четвертого (11) управляемых ключей, а выход (16.5) первого сумматора (16) является выходом устройства. Выход первого генератора ПСП (20) подключен к входу регистра сдвига (24), к первому входу (12.1) пятого управляемого ключа (12) и к второму входу (17.2) второго сумматора (17), к первому входу (17.1) которого подключен выход второго генератора ПСП (21).
Выход второго сумматора (17) подключен к первому входу (13.1) шестого управляемого ключа (13) и к второму входу (18.2) третьего сумматора (18), к первому входу (18.1) которого подключен выход третьего генератора ПСП (22), а выход третьего сумматора (18) подключен к первому входу (14.1) седьмого управляемого ключа (14) и к второму входу (19.2) четвертого сумматора (19), к первому входу (19.1) которого подключен выход четвертого генератора ПСП (23).
Выход четвертого сумматора (19) подключен к первому входу (15.1) восьмого управляемого ключа (15), выходы (24.1) и (24.2) регистра сдвига (24) подключены к первому и второму входам схемы «И» (25) соответственно, выход которой подключен к вторым входам (12.2) пятого (12), (13.2) шестого (13), (14.2) седьмого (14), (15.2) восьмого (15) управляемых ключей, выходы которых подключены к входам первого (4), второго (5), третьего (6), четвертого (7) синтезаторов частот соответственно.
Скремблер (2) предназначен для перемежения битов импульсной битовой последовательности (ИБП) от источника сообщений (1). Схема скремблера известна и может быть реализована, например, на интегральной микросхеме FX118DW.
Дешифратор (3) предназначен для преобразования четырех битов ИБП от скремблера (2) на его входе в одиночные биты на его информационных выходах (3.1)-(3.4). Схема дешифратора известна и приведена, например, в [1], стр. 106-115.
Первый (4), второй (5), третий (6), четвертый (7) синтезаторы частот предназначены для формирования колебаний рабочих частот в зависимости от кода псевдослучайной последовательности. Техническая реализация синтезатора частот известна и представлена, например, в [2], стр. 214.
Первый (8), второй (9), третий (10), четвертый (11), пятый (12), шестой (13), седьмой (14), восьмой (15) управляемые ключи предназначены для коммутации выходов блоков, подключенных к их сигнальным (первым) входам в зависимости от уровня напряжения на управляющих (вторых) входах. Реализация управляемых ключей известна и приведена, например, в патенте РФ №2037265, 09.06.1995.
Первый (16), второй (17), третий (18), четвертый (19) сумматоры предназначены для объединения сигналов на их входах. Вариант реализации сумматоров известен и приведен, например, в [1], стр. 146-157.
Первый (20), второй (21), третий (22), четвертый (23) генераторы псевдослучайной последовательности (ГПСП) предназначены для формирования последовательностей равновероятных номеров частот в диапазоне i=1, …, N. В качестве ГПСП можно использовать любой ГПСП, производимый промышленностью, например, ГПСП, используемый в радиостанциях комплекса Р-168.
Регистр сдвига (24) предназначен для преобразования последовательной комбинации ПСП в параллельную. Регистр сдвига может быть реализован, например, на интегральной микросхеме К155ИР1.
Схема «И» предназначена для формирования управляющего напряжения на выходе методом умножения напряжений на ее входах. Схема «И» может быть выполнена, например, на интегральной микросхеме серии КР1533.
Устройство, представленное на фиг. 1, функционирует следующим образом. В скремблере (2) осуществляется перемежение импульсной битовой последовательности (ИБП), поступающей от источника сообщений (1). Преобразованная таким образом ИБП поступает на вход дешифратора (3).
При поступлении двух нулей ИБП на вход дешифратора (3) на его сигнальном выходе (3.1) формируется сигнал логической единицы, который поступает на вход (8.2) управляемого ключа (8), открывая его и, тем самым, подключая выход первого синтезатора частот (4) к входу (16.1) первого сумматора (16). На других выходах дешифратора формируются сигналы логических нулей, которые закрывают управляемые ключи (9-11). Таким образом, сформированное синтезатором частот (4) высокочастотное гармоническое колебание, соответствующее двум нулям ИБП, поступает на выход сумматора (16.5), которое является выходом устройства.
При поступлении комбинации ИБП нуля и единицы, или единицы и нуля, или двух единиц сигнал логической единицы формируется на соответствующем выходе (3.2), или (3.3), или (3.4) дешифратора (3), при этом на других выходах формируются сигналы логического нуля. Открывается соответственно управляемый ключ (9), или (10), или (11), подключая выходы второго (9), или третьего (10), или четвертого (11) синтезатора частот соответственно к входам (16.2), или (16.3), или (16.4) первого сумматора (16), выход (16.5) которого является выходом устройства. Таким образом, в зависимости от комбинации двух элементов ИБП к выходу устройства подключается выход одного из синтезаторов частот, соответствующий данной комбинации. За счет этого осуществляется кодирование элементами ИБП рабочих частот радиолинии.
Синтезаторы частот (4)-(11) перестраиваются при изменении кода ПСП в случайные моменты времени. Изменение номиналов рабочих частот первого (4), второго (5), третьего (6), четвертого (7) синтезаторов частот производится соответственно при открытом пятом (12), шестом (13), седьмом (14), восьмом (15) управляемых ключах.
В этом случае на входы первого (4), второго (5), третьего (6), четвертого (7) синтезаторов частот подается код ПСП, в соответствии с которым производится смена номиналов рабочих частот. Причем на вход первого синтезатора частоты (4) подается код ПСП через пятый управляемый ключ (12), сформированный ГПСП (20). На вход второго синтезатора частоты (5) - код ПСП через шестой управляемый ключ (13), сформированный сложением во втором сумматоре (17) кода ПСП ГПСП (20) и (21). На вход третьего синтезатора частоты (6) - код ПСП через седьмой управляемый ключ (14), сформированный сложением в третьем сумматоре (18) суммарного кода ПСП ГПСП (20), ГПСП (21) и ГПСП (22). На вход четвертого синтезатора частоты (7) - код ПСП через восьмой управляемый ключ (15), сформированный сложением в четвертом сумматоре (19) суммарного кода ПСП ГПСП (20), ГПСП (21), ГПСП (22) и ГПСП (23). Такой способ формирования ПСП исключает совпадение кодов.
Пятый (12), шестой (13), седьмой (14), восьмой (15) управляемые ключи открываются при поступлении логической единицы со схемы «И» (25) на вторые входы (12.2), (13.2), (14.2), (15.2) данных ключей. Причем логическая единица формируется схемой «И» при поступлении единичного напряжения с первого (24.1) и второго (24.2) выходов регистра сдвига (24). Выходы регистра сдвига (24) выбираются произвольно, однако, чем ближе расположены выходы регистра сдвига, тем выше вероятность появления двух логических единиц на его выходе, формируемых из кода ГПСП (20).
Таким образом, заявляемое устройство формирует четырехпозиционную сигнальную конструкцию. При этом производятся расширение спектра сигнала методом медленной ППРЧ, кодирование ИБП рабочими частотами, смена номиналов частот, соответствующих элементам ИБП, в случайные моменты времени.
Применение данных методов повышает помехоустойчивость формируемого сигнала по сравнению с многочастотными сигналами [3]. Кроме того, на рабочих частотах отсутствуют признаки известных видов модуляции. Таким образом, формируемые сигналы с четырехпозиционной манипуляцией обладают повышенными свойствами помехоустойчивости и скрытности формируемой сигнальной конструкции при расширении частотной базы.
Для количественной оценки ее помехоустойчивости в среде Simulink построена модель сигнала, формируемого разработанным устройством. Анализ результатов моделирования показал, что временное и спектральное представление сигнала, формируемого разработанным устройством, существенно отличается от известных многочастотных сигналов, а его помехоустойчивость повышается примерно на 1,8 дБ. Таким образом, согласно [4] разработанное устройство формирует сигнал с четырехпозиционной манипуляцией с повышенным значением помехозащищенности, особенно в условиях воздействия имитационных помех.
Литература
1. Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах/М.А. Шустов. - СПб.: Наука и Техника, 2013. - 352 с.
2. Системы с прыгающей частотой/В кн.: Кларк Дж., Кейн Дж. Кодирование с исправлением ошибок в системах цифровой связи. – М.: Радио и связь, 1987. - С. 352-356.
3. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2-е изд.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003.
4. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью/В.И Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев и др.; Под ред. В.И. Борисова. - М.: Радио и связь, 2003. - 640 с.