МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ПРИЕМНИК С КОДОВЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ ДЛЯ ПРИЕМА КВАДРАТУРНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ ПОВЫШЕННОЙ СТРУКТУРНОЙ СКРЫТНОСТИ
MULTICHANNEL CODE DIVISION RECEIVER FOR RECEIVING QUADRATURE-MODULATED HIGH STRUCTURAL CONCEALMENT SIGNALS

Изобретение относится к области передачи информации посредством электромагнитных волн и может быть использовано в системах сотовой, беспроводной и спутниковой радиосвязи, телеметрии, в системах управления по радио и др., призванных функционировать в условиях ведения радиоэлектронной борьбы (т.е. в условиях действия организованных помех, постороннего вмешательства в работу систем для перехвата информации и навязывания ложной информации).
Одним из основных требований, предъявляемых к перспективным системам связи, является требование по использованию в них сигналов с высокой структурной скрытностью, что позволяет затруднить противоборствующей стороне создание эффективной помехи (помехи подобной сигналу) для подавления этих систем, а также защитить эти системы связи от постороннего вмешательства с целью перехвата информации или навязывания ложной информации.
Известны системы сотовой и спутниковой связи, использующие псевдослучайные сигналы, а именно: система сотовой подвижной связи стандарта IS-95 на основе технологии многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (МДКР), (в иностранной терминологии - CDMA); система спутниковой связи «Глобалстар» (США), SAT-CDMA (Ю.Корея), SW-CDMA (Европейское космическое агентство-ESA) [1], используемые системы с МДКР стандарта CDMA-2000, WCDMA, HDPA, а также устройство [2], которым присущи следующие недостатки:
период кодовых последовательностей, определяющий скорость передачи информации, имеет малую длительность, что отрицательно сказывается на помехозащищенности каналов связи;
множество используемых псевдослучайных сигналов определяется линейными кодовыми последовательностями, ансамбль которых ограничен;
в явном виде присутствует сигнал синхронизации, соответствующий одной из используемых кодовых последовательностей;
незначительная длина используемых кодовых последовательностей и незначительный их ансамбль не решает проблем обеспечения требуемой структурной скрытности используемых сигналов;
для синхронизации системы используется пилот-сигнал, передаваемый одновременно с информацией, что определяет его доступность для вскрытия сторонним наблюдателем. Таким образом, все указанные аналоги характеризуются низкой структурной скрытностью используемых сигналов.
Одним из перспективных направлений по повышению структурной скрытности сигналов является использование для их формирования нелинейных кодовых последовательностей, объем ансамбля которых оценивается, как  [3], где n - разрядность регистра сдвига, формирующего нелинейную кодовую последовательность из ансамбля полных кодовых колец. Тогда, при n=6 имеем , а это уже внушительная величина.
Известны методы и принципы [3, 4], позволяющие формировать сигналы с повышенной структурной скрытностью, которая достигается за счет использования при их формировании нелинейных кодовых ортогональных последовательностей из ансамбля полных кодовых колец.
Однако не существует устройств, которые позволяют обеспечить надежный прием таких сигналов.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению является устройство [2] (прототип), в состав которого входят последовательно соединенные первый преобразователь частоты, первый широкополосный фильтр нижних частот, первый аналого-цифровой преобразователь, последовательно соединенные второй преобразователь частоты, второй широкополосный фильтр нижних частот, второй аналого-цифровой преобразователь, первые входы первого и второго преобразователей частоты объединены и являются входом устройства, а также последовательно соединенные фильтр фазовой ошибки, первый управляющий элемент и управляемый генератор, выход которого через фазовращатель соединен со вторым входом второго преобразователя частоты, второй вход первого преобразователя частоты соединен с выходом управляемого генератора, последовательно соединенные фильтр нижних частот и декодер, выход которого является выходом приемника, первый выход первого квадратурного коррелятора соединен со входом фильтра нижних частот, второй выход первого квадратурного коррелятора соединен со входом фильтра фазовой ошибки, выход первого аналого-цифрового преобразователя соединен со вторым входом первого квадратурного коррелятора, выход второго аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом первого квадратурного коррелятора, последовательно соединенные цифровой сумматор, фильтр ошибки по задержке, второй управляющий элемент, управляемый тактовый генератор и генератор опорных сигналов, первый вход цифрового сумматора соединен со вторым выходом второго квадратурного коррелятора, второй вход цифрового сумматора соединен со вторым выходом третьего квадратурного коррелятора, первый и второй входы второго квадратурного коррелятора объединены и соединены с выходом первого аналого-цифрового преобразователя, первый и второй входы третьего квадратурного коррелятора объединены и соединены с выходом второго аналого-цифрового преобразователя, первый выход генератора опорных сигналов соединен с четвертым входом второго квадратурного коррелятора, второй выход генератора опорных сигналов соединен с третьим входом первого квадратурного коррелятора и четвертым входом третьего квадратурного коррелятора, третий выход генератора опорных сигналов соединен с четвертым входом первого квадратурного коррелятора и третьим входом второго квадратурного коррелятора, а четвертый выход генератора опорных сигналов соединен с третьим входом третьего квадратурного коррелятора.
Целью настоящего изобретения является разработка многоканального устройства, позволяющего обеспечить надежный прием квадратурно-модулированных сигналов повышенной структурной скрытности.
Указанная цель достигается тем, что в известном устройстве, включающем в себя последовательно соединенные первый преобразователь частоты, первый широкополосный фильтр нижних частот, первый аналого-цифровой преобразователь, последовательно соединенные второй преобразователь частоты, второй широкополосный фильтр нижних частот, второй аналого-цифровой преобразователь, первые входы первого и второго преобразователей частоты объединены и являются входом устройства, а также последовательно соединенные фильтр фазовой ошибки, первый управляющий элемент и управляемый генератор, выход которого через первый фазовращатель соединен со вторым входом второго преобразователя частоты, второй вход первого преобразователя частоты соединен с выходом управляемого генератора, последовательно соединенные фильтр нижних частот и декодер, выход которого является выходом приемника, первый выход первого квадратурного коррелятора соединен со входом фильтра нижних частот, второй выход первого квадратурного коррелятора соединен со входом фильтра фазовой ошибки, выход первого аналого-цифрового преобразователя соединен со вторым входом первого квадратурного коррелятора, выход второго аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом первого квадратурного коррелятора, последовательно соединенные цифровой сумматор, фильтр ошибки по задержке, второй управляющий элемент, управляемый тактовый генератор и генератор опорных сигналов, первый вход цифрового сумматора соединен со вторым выходом второго квадратурного коррелятора, второй вход цифрового сумматора соединен со вторым выходом третьего квадратурного коррелятора, первый и второй входы второго квадратурного коррелятора объединены и соединены с выходом первого аналого-цифрового преобразователя, первый и второй входы третьего квадратурного коррелятора объединены и соединены с выходом второго аналого-цифрового преобразователя, первый выход генератора опорных сигналов соединен с четвертым входом второго квадратурного коррелятора, второй выход генератора опорных сигналов соединен с третьим входом первого квадратурного коррелятора и четвертым входом третьего квадратурного коррелятора, третий выход генератора опорных сигналов соединен с четвертым входом первого квадратурного коррелятора и третьим входом второго квадратурного коррелятора, а четвертый выход генератора опорных сигналов соединен с третьим входом третьего квадратурного коррелятора, в схему внесены следующие изменения:
n
из схемы исключены: квадратурные корреляторы, фильтр нижних частот, декодер, цифровой сумматор, генератор опорных сигналов, первый широкополосный фильтр нижних частот, первый аналого-цифровой преобразователь, второй широкополосный фильтр нижних частот и второй аналого-цифровой преобразователь, а в схему устройства дополнительно введены: K каналов выделения информации (K принимает значения от 1 до N-1, а N=2 при n≥1), один из которых выделен для синхронизации приемника, причем каждый канал выделения информации включает в себя последовательно соединенные первый квадратурный коррелятор канала выделения информации, первый интегратор и первый компаратор, а также последовательно соединенные второй квадратурный коррелятор канала выделения информации, второй интегратор и второй компаратор, первые входы первого и второго квадратурных корреляторов канала выделения информации объединены и являются первым входом k-ого канала выделения информации, где k принимает значения от 1 до K, вторые входы первого и второго квадратурных корреляторов канала выделения информации объединены и являются вторым входом k-ого канала выделения информации, выход первого компаратора соединен с первым входом декодера и является первым и девятым выходами канала выделения информации, выход второго компаратора соединен со вторым входом декодера и является вторым и десятым выходами канала выделения информации, первый выход декодера является третьим выходом канала выделения информации, второй выход декодера является четвертым выходом канала выделения информации, выход первого квадратурного коррелятора канала выделения информации является пятым выходом канала выделения информации, выход второго квадратурного коррелятора канала выделения информации является шестым выходом канала выделения информации, вторые входы первого и второго интегратора и третий вход декодера объединены и являются седьмым входом канала выделения информации, четвертый вход декодера является шестым входом канала выделения информации, выход первого сумматора по модулю два соединен с третьим входом первого квадратурного коррелятора канала выделения информации и является восьмым выходом канала выделения информации, выход второго сумматора по модулю два соединен с третьим входом второго квадратурного коррелятора канала выделения информации и является седьмым выходом канала выделения информации, первый вход первого сумматора по модулю два является третьим входом канала выделения информации, первый вход второго сумматора по модулю два является четвертым входом канала выделения информации, вторые входы первого и второго сумматоров по модулю два объединены и являются пятым входом канала выделения информации, а также последовательно соединенные первый фильтр промежуточной частоты, вход которого соединен с выходом первого преобразователя частоты, третий преобразователь частоты, первый широкополосный фильтр нижних частот и первый аналого-цифровой преобразователь, последовательно соединенные второй фильтр промежуточной частоты, вход которого соединен с выходом второго преобразователя частоты, четвертый преобразователь частоты, второй широкополосный фильтр нижних частот и второй аналого-цифровой преобразователь, последовательно соединенные пятый преобразователь частоты, первый вход которого соединен с выходом первого фильтра промежуточной частоты, третий широкополосный фильтр нижних частот, третий аналого-цифровой преобразователь, последовательно соединенные шестой преобразователь частоты, первый вход которого соединен с выходом второго фильтра промежуточной частоты, четвертый широкополосный фильтр нижних частот и четвертый аналого-цифровой преобразователь, причем вторые входы четвертого и пятого преобразователей частоты объединены и через второй фазовращатель на π/2 соединены с выходом опорного генератора, вторые входы третьего и шестого преобразователей частоты объединены и соединены с выходом опорного генератора, последовательно соединенные первый квадратурный коррелятор цепи слежения за несущей частотой и первый перемножитель, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, последовательно соединенные второй квадратурный коррелятор цепи слежения за несущей частотой и второй перемножитель, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора, второй вход первого перемножителя соединен с 9-ым выходом канала выделения информации, выделенного для синхронизации приемника, а второй вход второго перемножителя соединен с 10-ым выходом канала выделения информации, выделенного для синхронизации приемника, выход первого сумматора соединен с входом фильтра фазовой ошибки, первые входы первого и второго квадратурных корреляторов цепи слежения за несущей частотой объединены и соединены с выходом четвертого аналого-цифрового преобразователя, вторые входы первого и второго квадратурных корреляторов цепи слежения за несущей частотой объединены и соединены с выходом третьего аналого-цифрового преобразователя, третий вход первого квадратурного коррелятора цепи слежения за несущей частотой соединен с восьмым выходом канала выделения информации, выделенного для синхронизации приемника, третий вход второго квадратурного коррелятора цепи слежения за несущей частотой соединен с седьмым выходом канала выделения информации, выделенного для синхронизации приемника, первые входы всех каналов выделения информации, а также первые входы первого и второго корреляторов цепи слежения за тактовой частотой объединены и соединены с выходом первого аналого-цифрового преобразователя, вторые входы всех каналов выделения информации, а также вторые входы первого и второго корреляторов цепи слежения за тактовой частотой объединены и соединены с выходом второго аналого-цифрового преобразователя, выход первого коррелятора цепи слежения за тактовой частотой соединен с первым входом третьего перемножителя, а выход второго коррелятора цепи слежения за тактовой частотой соединен с первым входом четвертого перемножителя, третий вход k-ого канала выделения информации соединен с i-ым выходом генератора канальных ортогональных кодовых последовательностей, где i принимает значение k, четвертый вход k-ого канала выделения информации соединен с j-ым выходом генератора канальных ортогональных кодовых последовательностей, где j принимает значение (K-k+1), причем i≠j, если i=j, то j=k+1, пятые входы всех каналов выделения информации объединены и подключены к первому выходу генератора маскирующей ортогональной кодовой последовательности, шестые входы всех каналов выделения информации объединены и подключены ко второму выходу генератора маскирующей ортогональной кодовой последовательности, (K+1)-ый выход генератора канальных ортогональных кодовых последовательностей соединен с седьмыми входами всех каналов выделения информации и со вторым входом третьего интегратора, пятый выход канала выделения информации, выделенного для синхронизации приемника, через первый квадратор соединен с первым входом второго сумматора, а шестой выход канала выделения информации, выделенного для синхронизации приемника, через второй квадратор соединен со вторым входом второго сумматора, выход которого через третий интегратор и первое пороговое устройство соединен с объединенными вторыми входами первого, второго и третьего электронных ключей, девятый выход канала выделения информации, выделенного для синхронизации приемника, соединен со вторым входом третьего перемножителя, выход которого соединен с первым входом третьего сумматора, а десятый выход канала выделения информации, выделенного для синхронизации приемника, соединен со вторым входом четвертого перемножителя, выход которого соединен со вторым входом третьего сумматора, выход третьего сумматора через первый электронный ключ соединен с входом фильтра ошибки по задержке, а также последовательно соединенные пятый перемножитель и пятый широкополосный фильтр нижних частот, выход которого подключен к первому входу четвертого сумматора, последовательно соединенные шестой перемножитель и шестой широкополосный фильтр нижних частот, выход которого подключен ко второму входу четвертого сумматора, первый и второй входы пятого перемножителя объединены и соединены с выходом первого фильтра промежуточной частоты, первый и второй входы шестого перемножителя объединены и соединены с выходом второго фильтра промежуточной частоты, последовательно соединенные согласованный фильтр и третий квадратор, выход которого через третий электронный ключ соединен со входом второго порогового устройства, выход которого соединен с объединенными первыми входами генератора канальных ортогональных кодовых последовательностей и генератора маскирующей ортогональной кодовой последовательности, выход согласованного фильтра соединен с входом первого инвертора и с первым входом четвертого электронного ключа, выход первого инвертора соединен с первым входом пятого электронного ключа, выход которого соединен с входом второго инвертора, выходы второго инвертора и четвертого электронного ключа объединены и соединены с первым входом третьего сумматора по модулю два, выход четвертого сумматора соединен с входом согласованного фильтра и со вторым входом седьмого перемножителя, последовательно соединенные третий сумматор по модулю два, седьмой перемножитель и второй электронный ключ, выход которого подключен к входу фильтра ошибки по задержке, (K+2)-ый выход генератора канальных ортогональных кодовых последовательностей соединен с объединенными вторыми входами четвертого и пятого электронных ключей, выход управляемого тактового генератора соединен со вторыми входами третьего сумматора по модулю два, генератора канальных ортогональных кодовых последовательностей, генератора маскирующей ортогональной кодовой последовательности, а также со вторыми входами четвертого и пятого сумматоров по модулю два, седьмой выход канала выделения информации, выделенного для синхронизации приемника, соединен с первым входом четвертого сумматора по модулю два, выход которого соединен с третьим входом второго коррелятора цепи слежения за тактовой частотой, восьмой выход канала выделения информации, выделенного для синхронизации приемника, соединен с первым входом пятого сумматора по модулю два, выход которого соединен с третьим входом первого коррелятора цепи слежения за тактовой частотой.
Отличительными признаками предлагаемого устройства являются введенные в схему приемника новые элементы, а именно: K каналов выделения информации, два фазовращателя на π/2, управляемый генератор, два управляющих элемента, фильтр фазовой ошибки, шесть преобразователей частоты, шесть широкополосных фильтров нижних частот, четыре аналого-цифровых преобразователя, опорный генератор, два квадратурных коррелятора цепи слежения за несущей частотой, семь перемножителей, четыре сумматора, два фильтра промежуточной частоты, три интегратора, согласованный фильтр, пять электронных ключей, три квадратора, два пороговых устройства, управляемый тактовый генератор, фильтр ошибки по задержке, два квадратурных коррелятора цепи слежения за тактовой частотой, пять сумматоров по модулю два, генератор канальных ортогональных кодовых последовательностей, генератор маскирующей ортогональной кодовой последовательности и соответствующие связи между ними, благодаря чему удалось обеспечить надежный прием квадратурно-модулированных сигналов повышенной структурной скрытности.
Поскольку совокупность введенных элементов и их связи до даты подачи заявки в патентной и научной литературе не обнаружены, то предлагаемое техническое решение соответствует «изобретательскому уровню».
Структурная схема заявляемого устройства представлена на фиг.1 и фиг.2. С целью упрощения схемы на фиг.1 изображены только один k-тый (k=1) канал выделения информации, а также элементы, которые обеспечивают функционирование устройства и позволяют пояснить его работу в целом. На фиг.1 цифрами обозначены:
1, 16 - фазовращатель на π/2 (ФВ);
2 - управляемый генератор (УГ);
3, 52 - управляющий элемент (УЭ);
4 - фильтр фазовой ошибки (ФФО);
5, 15, 18, 20, 32, 34 - преобразователь частоты (ПЧ);
6, 14, 21, 31, 37, 39 - широкополосный фильтр нижних частот (ШФНЧ);
7, 13, 22, 30 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
8, 12 - квадратурный коррелятор цепи слежения за несущей частотой (КК НЧ);
9, 11, 38, 40, 49, 59, 60 - перемножитель (П);
10, 36, 61, 64 - сумматор (См);
17 - опорный генератор (ОГ);
19, 33 - фильтр промежуточной частоты (ФПЧ);
23, 29 - квадратурный коррелятор канала выделения информации (КК КВИ);
24, 28, 63 - интегратор (Инт.);
25, 27 - компаратор (KM);
26 - декодер (ДК);
35 - согласованный фильтр (СФ);
41, 42, 48, 54, 55 - сумматор по модулю два (См2);
43, 50, 56, 69, 70 - электронный ключ (ЭК);
45, 65, 66 - квадратор (KB);
46 - генератор канальных ортогональных кодовых последовательностей (ГКОКП);
47 - генератор маскирующей ортогональной кодовой последовательности (ГМОКП);
51 - управляемый тактовый генератор (УТГ);
53 - фильтр ошибки по задержке (ФОЗ);
57, 58 - квадратурный коррелятор цепи слежения за тактовой частотой (КК ТЧ);
44, 62 - пороговое устройство (ПУ);
67, 68 - канал выделения информации (КВИ);
71, 72 - инвертор (Инв.).
На фиг.2а изображен квадратурный коррелятор КВИ. Цифрами на фиг.2а обозначены:
1, 4 - перемножитель (П);
2, 5 - цифровой фильтр нижних частот (ЦФНЧ);
3 - сумматор (См);
6 - инвертор (Инв.).
На фиг.2б изображен квадратурный коррелятор цепи слежения за несущей частотой. Цифрами на фиг.2б обозначены:
1, 5 - перемножитель (П);
2, 6 - цифровой фильтр нижних частот (ЦФНЧ);
3 - сумматор (См);
4 - линия задержки (ЛЗ).
На фиг.2в изображен квадратурный коррелятор цепи слежения за тактовой частотой. Цифрами на фиг.2в обозначены:
1, 5 - перемножитель (П);
2, 6 - цифровой фильтр нижних частот (ЦФНЧ);
3 - сумматор (См).
4 - линия задержки (ЛЗ);
7 - инвертор (Инв.).
Работа приемника. Порядок работы приемника рассмотрим по структурным схемам, которые изображены на фиг.1, фиг.2 и фиг.3.
При рассмотрении работы приемника будем исходить из следующего:
1. На вход приемного устройства поступает аддитивная смесь сигнала и шума вида
где s(t) - собственно принимаемый приемником групповой сигнал;
n(t) - шум на входе приемника.
Принимаемый сигнал на входе K-канального приемника представим в виде:
где А - амплитуда сигнала;
o
ω - несущая угловая частота сигнала;
t - текущее время;
lki
П1 - i-ая канальная ортогональная кодовая последовательность в синфазном k-ом КВИ на l-ом интервале времени;
lkj
П2 - j-ая канальная ортогональная кодовая последовательность в квадратурном k-ом КВИ на l-ом интервале времени;
n
k - номер КВИ, k принимает значения от 1 до K, а K принимает значения от 1 до N-1, a N=2 при n≥1;
i - номер канальной ортогональной кодовой последовательности из ансамбля последовательностей, генерируемых ГКОКП (46), пусть i=k;
j - номер канальной ортогональной кодовой последовательности из ансамбля последовательностей, генерируемых ГКОКП (46), пусть j=K-k+1;
l - длительность канальной ортогональной кодовой последовательности, генерируемой ГКОКП (46), равная длительности информационного символа;
П0 - маскирующая ортогональная кодовая последовательность, генерируемая ГМОКП (47), одновременно выполняет функцию цикловой синхронизации, причем ее длительность L кратна длительности канальной ортогональной кодовой последовательности, генерируемой ГКОКП (46), т.е. L=ml, где m - число канальных ортогональных кодовых последовательностей, укладывающихся на интервале маскирующей ортогональной кодовой последовательности;
l
П0 - фрагмент маскирующей ортогональной кодовой последовательности, генерируемой ГМОКП (47), на интервале l;
lk
θ1 - фаза сигнала в синфазном k-ом КВИ на l-ом интервале времени. Причем значение фазы на l-ом интервале времени постоянно, зависит от знака информационного символа и может принимать значения 0 или π;
lk
θ2 - фаза сигнала в квадратурном k-ом КВИ на l-ом интервале времени. Причем значение фазы постоянно на l-ом интервале времени, зависит от знака информационного символа и может принимать значения π/2 или -π/2.
Шумовая составляющая на входе K-канального приемника имеет вид
cs
sn
где ψ(t) - фаза шумовых составляющих n(t) и n(t), которая представляет собой случайный процесс, равномерно распределенный на интервале ;
cs
sn
n(t) n(t) - амплитуды шумовых составляющих в синфазном и квадратурных каналах соответственно.
cs
sn
0
cs
sn
0
cs
sn
2
2
Причем n(t), n(t), n(t) - случайные процессы, распределенные по нормальному закону с нулевым средним значением. Спектральная плотность мощности процесса n(t) равна N, а процессов n(t) и n(t) - N/2; дисперсия процесса n(t) равна σ, а процессов n(t) и n(t) - σ/2, то есть
2. На выходе УГ (2) формируется сигнал вида
g
где ω - частота УГ;
φ - начальная фаза частоты УГ относительно частоты принимаемого сигнала.
На выходе ФВ (1) сигнал имеет вид
3. Информация в канале передается блоками L-той длины, каждый блок включает m информационных символов, длительность каждого из которых равна l. Каждому информационному символу соответствует канальная ортогональная последовательность. Для повышения структурной скрытности каждый информационный блок «закрывается» маскирующей последовательностью, длина которой равна L.
4. Для обеспечения высокой структурной скрытности в групповом сигнале, поступающем на вход приемного устройства, в явном виде отсутствует пилот-сигнал (сигнал синхронизации). Для решения задач обнаружения сигнала, синхронизации, а также слежения за несущей и тактовой частотами используется информация, циркулирующая в выделенном для этих целей КВИ. В нашем случае для этих целей выделяется первый канал (k=1).
l11
l1К
С
С
На третий и четвертый входы первого КВИ (67) поступают последовательности П1 и П2, соответственно. Произведение этих последовательностей дает последовательность П. На эту последовательность и настроен СФ (35). Эта же последовательность П с (K+2)-ого выхода ГКОКП (46) поступает на первый вход См2 (48) через соответствующий открытый ЭК (69) или (70).
5. В момент включения приемного устройства начала последовательностей, генерируемых ГКОКП (46) и ГМОКП (47), не совпадают друг с другом, а так же, как правило, не совпадают с началом последовательностей, поступающих на вход приемного устройства.
6. Начало маскирующей последовательности, поступающей на вход приемного устройства, совпадает с началом поступающего на вход приемного устройства информационного блока и с началом первой канальной последовательности в составе информационного блока.
7. После включения приемного устройства электронные ключи, (43) и (50) открыты, а ЭК (56), (69) и (70) закрыты.
8. Значение порога ПУ (62) в общем случае определяется требуемым значением вероятности ложных тревог и выбирается исходя из следующих условий:
суммарное значение помеховых составляющих синфазного и квадратурного каналов (помеховые составляющие с 5 и 6 выходов КВИ (67)), накопленное Инт. (63) на интервале длительности информационного символа l, не должно превышать величины выбранного порога;
суммарное значение энергии составляющих полезного сигнала синфазного и квадратурного каналов (составляющие полезного сигнала с 5 и 6 выходов КВИ (67)), накопленное Инт. (63), должно превысить величину выбранного порога за интервал времени менее l, чтобы обеспечить закрытие ЭК (43) и (50) и открытие ЭК (56) до момента появления очередного импульса с выхода СФ (35).
9. На выходе ОГ (17) формируется сигнал вида
а на выходе ФВ (16) сигнал вида
ог
пр
где ω - частота ОГ, причем ее значение соответствует значению промежуточной частоты ω на выходе ФПЧ (19) и (33).
10. Для повышения структурной скрытности сигналов примем, что в каждом k-ом КВИ должны использоваться две разные канальные ортогональные кодовые последовательности из ансамбля последовательностей, генерируемых ГКОКП (46), т.е. в синфазном канале k-ого КВИ используется последовательность с номером i, а в квадратурном канале k-ого КВИ - последовательность с номером j. Пусть объем ансамбля последовательностей, генерируемых ГКОКП (46), равен K. Тогда, для реализации изложенного выше условия, примем следующую взаимосвязь между i, j и k: пусть i=k, a j=K-k+1. Если i=j, то в этом случае j=i+1.
В общем случае работа приемника состоит в решении следующих задач:
обнаружение сигнала;
установление и поддержание синхронизации приемника по несущей и тактовой частотам;
выделение информации.
Работа приемника. Пусть на вход приемника, а, следовательно, и на первые входы ПЧ (18) и (34) поступает аддитивная смесь сигнала s(t) (2) и шума n(t) (3).
Одновременно на второй вход ПЧ (18) непосредственно, а на второй вход ПЧ (34) через ФВ (1) с выхода УГ (2) подаются сигналы вида (5) и (6), соответственно.
Тогда сигнальную составляющую в синфазном канале можно представить в виде
а шумовую составляющую - в виде
а в квадратурном канале сигнальную составляющую - в виде
а шумовую составляющую - в виде
∑
o
g
p
o
g
∑
p
пр
В результате преобразований сигнальной и шумовой составляющих в ПЧ (18) и в ПЧ (34) на их выходах появятся составляющие суммарной (ω=ω+ω) и разностной (ω=ω-ω) частот сигнала и шума. Составляющие суммарной частоты ω сигнала и шума подавляются фильтрами промежуточной частоты (19) и (33), а составляющие разностной частоты ω (назовем ее промежуточной частотой ω) проходят через ФПЧ (19) и (33).
Тогда сигнальная составляющая на выходе ФПЧ (19) (синфазный канал) будет иметь вид
а шумовая составляющая -
шcs
где u - амплитуда шума в синфазном канале;
шsn
u - амплитуда шума в квадратурном канале.
А сигнальная составляющая на выходе ФПЧ (33) (квадратурный канал) будет иметь вид
а шумовая составляющая -
Работа приемника в режиме обнаружения сигнала. Сигнал с выхода ФПЧ (19) (синфазный канал) вида (13) и (14) поступает на первый и второй входы П (38), а с выхода ФПЧ (33) (квадратурный канал) сигнал вида (15) и (16) - на первый и второй входы П (40).
Сигнал на выходе П (38) можно представить в виде
После возведения в квадрат выражение (17) примет вид
2
1
2
2
2
пр
lk
l
lki
Принимая во внимание, что cosα=/(cos2α+1), где α=(ωt+θ1-φ), a (П0)=1 и (П1)=1 выражение
.
2
1
2
2
2
пр
lk
l
lkj
Принимая во внимание, что sinα=/(1-cos2α), где α=(ωt+θ2-φ), а (П0)=1 и (П2)=1 выражение
пр
lk
пр
ln
l
lki
lni
lkn
lkn
2
Учитывая, что , где α=(ωt+θ1-φ), а β=(ωt+θ1-φ); (П0)=1; П1 П1=П1, где П1 - одна из последовательностей, генерируемых ГКОКП (46), то выражение
пр
lk
пр
ln
l
lkj
lnj
lkn
lkn
2
Учитывая, что , где α=(ωt+θ2-φ), а β=(ωt+θ2-φ); (П0)=1; П2 П2=П2, где П2 - одна из последовательностей, генерируемых ГКОКП (46), то выражение
пр
lk
пр
ln
l
lki
lnj
lkn
lkn
2
Учитывая, что , где α=(ωt+θ2-φ), а β=(ωt+θ2-φ); (П0)=1; П1 П2=П12, где П12 - одна из последовательностей, генерируемых ГКОКП (46), то выражение
Выражение
Выражение
Выражение
Выражение
Выражение
Выражение
Из анализа приведенных выше выражений следует, что в перемножителе (38) в результате перемножения сигналов, поступивших на его входы, на его выходе появляются составляющие суммарной и разностной частот сигнала и шума.
Составляющие суммарной частоты сигнала и шума синфазного канала подавляются ШФНЧ (37), а низкочастотные составляющие проходят через ШФНЧ (37). Тогда сигнал на выходе ШФНЧ (37) примет вид
lk
ln
lk
ln
lk
ln
lk
ln
ln
lk
Принимая во внимание, что θ1 и θ1 могут принимать значения только 0 или π, а θ2 и θ2 - только π/2 или -π/2, тогда cos(θ1-θ1)=±1, cos(θ2-θ2)=±1 и sin(θ2-θ1)=±1, то сигнал на выходе ШФНЧ (37) можно представить в виде
с
Из анализа выражения (17в) следует, что слагаемые в круглых скобках представляют собой постоянную величину, слагаемые в квадратных скобках представляют собой прямые или инверсные ортогональные кодовые последовательности из ансамбля последовательностей, генерируемых ГКОКП (46), причем четвертое слагаемое  представляет собой последовательность П, на которую настроен СФ (35), слагаемые в фигурных скобках представляют собой шумовую составляющую сигнала в синфазном канале. Этот сигнал поступает на первый вход См (36).
Сигнал на выходе П (40) можно представить в виде
После возведения в квадрат выражение (18) примет вид
Если с выражением (18а) провести преобразования, аналогичные преобразованиям, проведенным с выражением (17а), то станет ясно, что в перемножителе (40) в результате перемножения сигналов, поступивших на его входы, на его выходе появляются составляющие суммарной и разностной частот сигнала и шума.
Составляющие суммарной частоты сигнала и шума квадратурного канала подавляются ТТТФНЧ (39), а низкочастотные составляющие проходят через ШФНЧ (39). Тогда сигнал на выходе ШФНЧ (39) примет вид
с
Из анализа выражения (18б) следует, что слагаемые в круглых скобках представляют собой постоянную величину, слагаемые в квадратных скобках представляют собой прямые или инверсные ортогональные кодовые последовательности из ансамбля последовательностей, генерируемых ГКОКП (46), причем четвертое слагаемое  представляет собой последовательность П, на которую настроен СФ (35), слагаемые в фигурных скобках представляют собой шумовую составляющую сигнала в квадратурном канале. Этот сигнал поступает на второй вход См (36).
Результирующий сигнал на выходе См (36) можно представить в виде
Сигнал вида (19) поступает на вход СФ (35) и на второй вход П (49).
С
Учитывая, что последовательность П может быть как прямой, так и инверсной на выходе согласованного фильтра (35) появляется положительный или отрицательный импульс.
Сигнал с выхода СФ (35) через квадратор (45) и открытый ЭК (43) поступает на вход ПУ (44), в котором происходит сравнение уровней поступившего сигнала и установленного порога. При превышении сигналом порогового значения принимается решение об обнаружении сигнала и на выходе ПУ (44) появляется импульс напряжения, который подается на первые входы ГКОКП (46) и ГМОКП (47). Этот сигнал устанавливает их в исходное состояние. С этого момента можно считать, что:
с
с
начала всех канальных ортогональных кодовых последовательностей, генерируемых ГКОКП (46), а именно последовательностей на выходах 1…K и последовательности на (K+2)-ом выходе совпадают с началом принимаемых канальных ортогональных кодовых последовательностей (в том числе и начало последовательности П, поступающей с (K+2)-ого выхода ГКОКП (46) на первый вход См2 (48), совпадает с началом последовательности П, которая поступает с выхода См (36) на второй вход П (49));
начала канальных ортогональных кодовых последовательностей, как генерируемых ГКОКП (46), так и принимаемых, совпадают с началом маскирующей ортогональной кодовой последовательности, генерируемой ГМОКП (47).
o
о
о
При этом следует заметить, что совпадение обеспечивается в пределах интервала длительности элементарного символа канальных и маскирующей последовательностей, а именно в пределах (-T/2≤τ≤+Т/2), где Т - длительность элементарного символа последовательностей, а τ - величина задержки.
Не совпадают только начало маскирующей последовательности, генерируемой ГМОКП (47), с началом принимаемой маскирующей последовательности.
Следующий, сформированный на выходе ПУ (44) импульс, также подается на первые входы ГКОКП (46) и ГМОКП (47) и устанавливает их в исходное состояние, если они находятся в другом состоянии. Но поскольку начала канальных последовательностей, формируемых ГКОКП (46), и начала канальных последовательностей, принятых приемным устройством, уже совпадают (это обеспечил первый импульс, т.е. ГКОКП (46) в этот момент уже находится в исходном состоянии), то этот импульс не изменяет режим работы ГКОКП (46). А вот этот импульс, поступивший на первый вход ГМОКП (47), устанавливает его опять в исходное состояние, и он начинает формировать маскирующую последовательность сначала. И этот процесс будет проходить до тех пор, пока начало маскирующей последовательности, формируемой ГМОКП (47), не совпадет с началом принятой маскирующей последовательности.
Совместную синхронную работу генераторов ГМОКП (47) и ГКОКП (46) обеспечивает УТГ (51), с выхода которого тактовые импульсы подаются на их вторые входы.
Из анализа выражения (19) следует, что первое слагаемое представляет собой постоянную величину и, следовательно, эта составляющая ортогональна к характеристике согласованного фильтра (35), т.е. им не пропускается. Второе слагаемое является полезным сигналом и на него настроен согласованный фильтр. Третье слагаемое является шумовой составляющей, которая СФ (35) усредняется.
Тогда отношение мощности сигнала к мощности шума на выходе СФ (35) можно представить как
где N - число элементарных символов в канальной ортогональной кодовой последовательности;
д
д шэс
А, и - действующие значения амплитуд сигнала и шума на интервале элементарного символа соответственно;
2
д шэс
шэс
и =Р - среднее значение мощности шума на интервале элементарного символа;
2
д
сэс
А =Р - значение мощности сигнала на интервале элементарного символа.
Из анализа выражения (20) следует, что при обнаружении сигнала потери отсутствуют, т.е. предложенная схема обнаружения сигнала является оптимальным устройством.
с
Одновременно с процессом установления совпадений начал принятой и формируемой ГМОКП (47) маскирующих последовательностей (т.е одновременно с процессом установления синхронизации по маскирующей последовательности) осуществляется слежение за тактовой частотой УТГ (51). Для чего на первый вход См2 (48) с (K+2)-ого выхода ГКОКП (46) через открытый ЭК (69) или (70) поступает канальная прямая или инверсная последовательность П, а на его второй вход - импульсы тактовой частоты с выхода УТГ (51).
с
с
Если на выходе СФ (35) появился отрицательный импульс, (в этом случае с выхода См (36) на второй вход П (49) поступает инверсная последовательность П), то этот импульс через Инв. (71) открывает ЭК (70) и последовательность П, с (K+2)-ого выхода ГКОКП (46) через открытый ЭК (70) и Инв. (72) поступает на первый вход См2 (48).
с
с
Если на выходе СФ (35) появился положительный импульс, (в этом случае с выхода См (36) на второй вход П (49) поступает прямая последовательность П), то этот импульс открывает ЭК (69) и последовательность П, с (K+2)-ого выхода ГКОКП (46) через открытый ЭК (69) поступает на первый вход См2 (48).
с
l11
l1К
В См2 (48) потоки, поступившие на его первый и второй входы, складываются по модулю два. Суммарный сигнал с выхода См2 (48) поступает на первый вход П (49), на второй вход которого поступает сигнал с выхода См (36), в составе которого присутствует последовательность П (прямая или инверсная), полученная в результате перемножения принятых последовательностей П1 и П2.
с
В перемножителе (49) осуществляется свертка поступивших сигналов и на его выходе, наряду с шумовой составляющей, присутствует сигнал, несущий информацию о величине рассогласования по задержке тактовых частот принятой и сформированной ГКОКП (46) последовательностей. Сигнал с выхода П (49) через открытый ЭК (50) поступает на вход ФОЗ (53). Выделенный ФОЗ (53) сигнал ошибки по задержке поступает на вход УЭ (52), который, воздействуя на УТГ (51), подстраивает его тактовую частоту под тактовую частоту принимаемой последовательности П, приводя ошибку по задержке τ к нулю.
Таким образом уже на начальной стадии синхронизации приемника (отсутствует еще синхронизация по маскирующей последовательности П0) обеспечивается слежение за тактовой частотой.
По окончании каждого цикла формирования канальных ортогональных кодовых последовательностей на (K+1)-ом выходе ГКОКП (46) появляются импульсы, частота следования которых определяется периодом формируемой последовательности. Этот поток импульсов поступает на седьмые входы всех каналов выделения информации и второй вход Инт. (63) и обеспечивает совместную работу всех канальных интеграторов (применительно к первому каналу это Инт. (24), (28)) и интегратора (63), а также обеспечивает последовательный ввод информации в декодирующее устройство каждого КВИ (применительно к первому КВИ это ДК (26)) и последовательный вывод информации из него.
Как только начало маскирующей последовательности, формируемой ГМОКП (47), совпадет с началом принятой маскирующей последовательности, в КВИ (67) начинается процесс выделения информации и на его 5-ом и 6-ом выходах появятся информационные отсчеты (отклики напряжения), которые поступают на входы KB (65) и (66), соответственно. В KB (65) и (66) поступивший сигнал возводится в квадрат и с их выходов поступает на первый и второй входы См (64), соответственно. Суммарный сигнал с выхода См (64) подается на первый вход Инт. (63), в котором происходит накопление энергии. Результирующее значение накопленной энергии с выхода Инт. (63) постоянно поступает на вход ПУ (62), в котором это значение сравнивается с порогом. В момент превышения значения накопленной энергии установленного порога на выходе ПУ (62) появляется сигнал, который закроет ЭК (43) и (50) и открывает ЭК (56).
Закрытый ЭК (43) предотвращает дальнейшую подстройку ГМОКП (47), поскольку начало маскирующей последовательности, генерируемой ГМОКП (47), уже совпадает с началом принимаемой маскирующей последовательности.
Сформированная ГМОКП (47) маскирующая ортогональная кодовая последовательность через его первый выход поступает на пятые входы всех КВИ. По окончании каждого цикла формирования маскирующей ортогональной кодовой последовательности на 2-ом выходе ГМОКП (47) появляются импульсы, частота следования которых определяется периодом формируемой последовательности. Этот поток импульсов подается на 6-ые входы всех каналов выделения информации и обеспечивает цикловую синхронизацию декодеров этих каналов.
С
Закрытый ЭК (50) и открытый ЭК (56) обеспечивают переключение режима слежения за тактовой частотой. Закрытый ЭК (50) исключает возможность слежения за тактовой частотой по последовательности П, выделяемой в процессе обнаружения сигнала (т.к. ЭК (50) разрывает цепь между выходом П (49) и входом ФОЗ (53)), а открытый ЭК (56) обеспечивает подключение выхода См (61), на котором формируется информация о величине рассогласования тактовых частот по принимаемому информационному сигналу, ко входу ФОЗ (53). Процесс формирования сигнала о величине рассогласования тактовых частот по принимаемому информационному сигналу будет рассмотрен ниже.
Работа приемника в режиме выделения информации. Работу приемника в режиме выделения информации условно можно разделить на два этапа. На первом этапе из принятого группового радиосигнала выделяется групповой видеосигнал, а на втором этапе из полученного группового видеосигнала каждым КВИ выделяется собственно информация, переданная по этому каналу.
I этап. Сигналы (сигнальные и шумовые составляющие вида (13), (14) и (15) и (16) с выхода фильтров промежуточной частоты (19) и (33) поступают на первые входы ПЧ (20) и (32), соответственно. На вторые входы ПЧ (20) и (32) поступает гармонический сигнал от ОГ (17), причем на ПЧ (20) - непосредственно, а на ПЧ (32) - через ФВ (16).
В результате преобразований сигнальной и шумовой составляющих в ПЧ (20) и (32) на их выходах появятся составляющие суммарной и разностной частот сигнала и шума. Составляющие суммарной частоты сигнала и шума подавляются ШФНЧ (21) и (31), а составляющие разностной частоты (видеосигнал) проходят через ШФНЧ (21) и (31) и подаются на входы АЦП (22) и (30) соответственно, в которых видеосигнал преобразуется в цифровую форму. С выхода АЦП (22) видеосигнал в цифровой форме подается на первые входы всех КВИ и на первые входы КК ТЧ (57) и (58), а с выхода АЦП (30) - на вторые входы всех КВИ и на вторые входы КК ТЧ (57) и (58).
Указанные выше преобразования аналитически можно представить: следующим образом.
выхcs
Сигнальную составляющую на выходе ПЧ (20) s(t) (синфазный канал) в общем виде можно представить как
ог
пр
а с учетом выражений (7) и (13), а также условия, что ω=ω выражение (21) примет вид
Сигнал вида (22) поступает на вход ШФНЧ (21), в котором происходит подавление высокочастотных составляющих и селекция видеосигнала. После этих преобразований в ШФНЧ (21) на его выходе сигнальная составляющая будет иметь вид
выхcs
Шумовую составляющую на выходе ПЧ (20) n(t) (синфазный канал) в общем виде можно представить как
ог
пр
С учетом выражений (7) и (14), а также условия, что ω=ω выражение (24) примет вид
Сигнал вида (25) поступает на вход ШФНЧ (21), а после преобразований в ШФНЧ (21) на его выходе шумовая составляющая будет иметь вид
выхsn
Сигнальную составляющую на выходе ПЧ (32) s(t) (квадратурный канал) в общем виде можно представить как
ог
пр
а с учетом выражений (8), (15), а также условия, что ω=ω выражение (27) примет вид
Сигнал вида (28) поступает на вход ШФНЧ (31), в котором происходит подавление высокочастотных составляющих и селекция видеосигнала. После этих преобразований в ШФНЧ (31) на его выходе сигнальная составляющая будет иметь вид
выхsn
Шумовую составляющую на выходе ПЧ (32) n(t) (квадратурный канал) в общем виде можно представить как
ог
пр
С учетом выражений (8) и (16), а также условия, что ω=ω выражение (30) примет вид
Сигнал вида (31) поступает на вход ШФНЧ (31), а после преобразований в ШФНЧ (31) на его выходе шумовая составляющая будет иметь вид
II этап. Работа канала выделения информации.
Выделение информации каналами начинается с момента совпадения начал маскирующей последовательности, формируемой ГМОКП (47), и принятой маскирующей последовательности. Работу канала выделения информации рассмотрим по структурной схеме КВИ (67), представленной на фиг.1.
На первый вход КВИ (67), а, следовательно, и на первые входы КК КВИ (23) и (29) с выхода АЦП (22) подается видеосигнал в цифровой форме, а на второй вход КВИ (67), а, следовательно, и на вторые входы КК КВИ (23) и (29) с выхода АЦП (30) также подается видеосигнал в цифровой форме.
l11
l1K
На третий вход КВИ (67), а, следовательно, и на первый вход См2 (41) с первого выхода ГКОКП (46) поступает опорная канальная ортогональная кодовая последовательность П1, а на четвертый вход КВИ (67), а, следовательно, и на первый вход См2 (42) с K-ого выхода ГКОКП (46) поступает опорная канальная ортогональная кодовая последовательность П2.
На пятый вход КВИ (67), а, следовательно, и на вторые входы См2 (41) и См2 (42) с первого выхода ГМОКП (47) поступает опорная маскирующая ортогональная кодовая последовательность П0.
l11
l11
В См2 (41) происходит сложение по модулю два двух последовательносте⊕ П0 и П1. Результирующая последовательность П01==П0 П1 с выхода См2 (41) подается на третий вход КК КВИ (23) и через восьмой выход КВИ (67) - на третий вход КК НЧ (8) и на первый вход См2 (55).
l1К
l1к
В См2 (42) происходит сложение по модулю два двух последовательностей П0 и П2. Результирующая последовательность П02=П0⊕П2 с выхода См2 (42) подается на третий вход КК КВИ (29) и через седьмой выход КВИ (67) - на третий вход КК НЧ (12) и на первый вход См2 (54).
В квадратурных корреляторах КВИ (23) и (29) происходит перемножение принятых сигналов (видеосигналов в цифровой форме) с результирующими последовательностями П01 и П02, а также выделение информационной составляющей сигнала, переданного в синфазном канале, из принятого в синфазном и квадратурном каналах видеосигнала (КК КВИ (23)) и выделение информационной составляющей сигнала, переданного в квадратурном канале, из принятого в синфазном и квадратурном каналах видеосигнала (КК КВИ (29)). Работу квадратурных корреляторов КВИ рассмотрим на примере работы КК КВИ (23) по структурной схеме, представленной на фиг.2а.
На первый вход КК КВИ (23), а следовательно и на первый вход П (1), поступает видеосигнал в цифровой форме с выхода АЦП (22), на второй вход КК КВИ (23), а, следовательно, на первый вход П (4), поступает видеосигнал в цифровой форме с выхода АЦП (30), а на третий вход КК КВИ (23), а следовательно и на вторые входы П(1) и (4), с выхода См2 (41) поступает результирующая последовательность П01.
В результате перемножения в П(1) и (4) с сигналов, поступивших на первые входы П(1) и (4), «снимается» маскирующая последовательность П0 и на их выходах появляются отсчеты информационной составляющей, переданной в синфазном канале, и шумовой составляющей, которые поступают на соответствующие входы ЦФНЧ (2) и (5). Причем отсчеты информационной составляющей на выходах П (1) и П (4) имеют разные знаки. В ЦФНЧ (2) и (5) высокочастотные составляющие, поступившие на их вход, подавляются, а на выходе появляются отсчеты информационной составляющей, усредненные на интервале элементарного символа канальной ортогональной последовательности, и отсчеты шумовой составляющей. Таким образом, на интервале информационного символа на выходах ЦФНЧ (2) и (5) появятся по N отсчетов.
С выхода ЦФНЧ (2) отсчеты подаются на первый вход См (3), а с выхода ЦФНЧ (5) через Инв. (6) - на второй вход См (3), в котором происходит их суммирование. Суммарное значение отсчетов с выхода См (3) поступает на выход КК КВИ ((23). Аналогичные преобразования происходят в КК КВИ (29).
Суммарное значение отсчетов с выхода КК КВИ (23) поступают на первый вход Инт. (24) и на пятый выход КВИ (67), а с выхода КК КВИ (29) - на первый вход Инт. (28) и на шестой выход КВИ (67).
С
Отсчеты на пятом и шестом выходах КВИ (67) обеспечивают переключение режима слежения за тактовой частотой по последовательности П на режим слежения за тактовой частотой по принимаемому информационному сигналу.
В интеграторах (24) и (28) все отсчеты, поступающие на интервале длительности информационного символа (интервале длительности канальной ортогональной последовательности), суммируются. По окончании цикла формирования канальных ортогональных последовательностей (окончания информационного символа) с (K+1)-ого выхода ГКОКП (46) на вторые входы Инт. (24) и (28) поступает импульс, который переносит содержимое интеграторов в виде импульса положительной или отрицательной полярности на соответствующие входы компараторов (25) и (27).
Учитывая изложенное выше, а также выражения (23), (26), (29), (32) значения информационной и шумовой составляющих на выходе интегратора (25) (синфазный канал) можно представить в виде:
для напряжения сигнальной составляющей
и для мощности сигнальной составляющей
для шумовой составляющей, принимая во внимание, что при прохождении через квадратурный коррелятор ее статистические характеристики не изменяются, значение ее мощности можно представить в виде
Тогда отношение мощности сигнала к мощности шума на выходе интегратора, а, следовательно, и на выходе информационного канала будет
Выражение (36) дает основание считать, что прием информации является оптимальным, так как отсутствуют потери энергии сигнала.
Аналогичные рассуждения справедливы и для квадратурного канала (т.е. относительно отношения мощности сигнала к мощности шума на выходе Инт. (28)).
В компараторах (25) и (27) поток разнополярных импульсов, поступающих на их входы с соответствующих выходов интеграторов (24) и (28), преобразуются в последовательности информационных символов.
С выхода КМ (25) последовательность информационных символов поступает на первый выход КВИ (67), на первый вход ДК (26) и через девятый выход КВИ (67) на вторые входы П (9) и П (59), а с выхода КМ (27) - на второй выход КВИ (67), на второй вход ДК (26) и через десятый выход КВИ (67) на вторые входы П (11) и П (60).
В декодере (26) происходит декодирование информации, поступающей на его первый и второй входы. Работу декодера рассмотрим по структурной схеме, представленной на фиг.3а. На структурной схеме цифрами обозначены:
26 - декодер канала выделения информации (ДК КВИ);
8 - декодер синфазного канала в КВИ (ДК СК);
9 - декодер квадратурного канала в КВИ (ДК КК);
m
1, 5 - регистр сдвига на m ячеек (РС);
n
3, 7 - регистр сдвига на n ячеек (PC);
2, 6 - декодирующее устройство (ДУ);
4 - делитель частоты m/n (ДЧ).
m
m
m
m
m
n
На первый и второй входы ДК КВИ (26) поступают информационные символы с соответствующих выходов КМ (25) и (26). Каждый поступивший информационный символ через первые входы ДК СК (8) и ДК КК (9) поступают на соответствующие первые входы PC (1) и (5) и записываются в первую ячейку соответствующего регистра. С (к+1)-ого выхода ГКОКП (46) через третий вход ДК КВИ (26), через вторые входы ДК СК (8) и ДК КК (9) на вторые входы PC (1) и (5) поступают импульсы, которые в регистрах выполняют роль сдвигающих импульсов, т.е. эти импульсы обеспечивают продвижение информации в регистре и заполнение его ячеек. После поступления m сдвигающих импульсов все ячейки регистров PC (1) и (5) оказываются заполненными принятыми информационными символами. После каждых m сдвигающих импульсов со второго выхода ГМОКП (47) через четвертый вход ДК КВИ (26) и соответствующие четвертые входы ДК СК (8) и ДК КК (9) на третьи входы PC (1) и (5) поступает синхронизирующий импульс, который все информационные символы, содержащиеся в ячейках PC (1) и (5), параллельным кодом (через 1, 2, … m-ый выходы) подает на соответствующие входы ДУ (2) и (6). В декодирующих устройствах (2) и (6) в соответствии с установленным алгоритмом происходит декодирование принятой комбинации символов (устранение избыточности, обнаружение и устранение ошибочно принятых символов и т.д.). После декодирования информационные символы параллельным кодом (через 1, 2, … n-ый выходы) поступают на соответствующие входы PC (3) и (7), из которых информация под действием сдвигающих импульсов, поступающих на их (n+1)-ые входы с выхода ДЧ (4), последовательным кодом через выходы ДК СК (8) и ДК КК (9), первый и второй выходы ДК КВИ (26) выводятся на третий и четвертый выходы КВИ (67).
Итак, первый и второй выходы КВИ (67) являются выходами не декодированной информации синфазного и квадратурного каналов, соответственно, а его третий и четвертый выходы - выходами декодированной информации синфазного и квадратурного каналов, соответственно.
Работа приемника в режиме слежения за тактовой частотой по принимаемому информационному сигналу. Слежение за тактовой частотой по информационному сигналу начинается с момента подключения выхода См (61), на котором формируется информация о величине и знаке рассогласования тактовых частот, к входу ФОЗ (53).
Процесс формирования сигнала о величине рассогласования тактовых частот по принимаемому информационному сигналу происходит следующим образом.
т
т
На первый вход См2 (54) с седьмого выхода КВИ (67) поступает результирующая последовательность вида П02, а с восьмого выхода КВИ (67) на первый вход См2 (55) - результирующая последовательность вида П01. На вторые входы См2 (54) и (55) с выхода УТГ (51) поступает последовательность тактовых импульсов. Результаты сложения в См2 (54) и (55) (обозначим результаты сложения как последовательности П02 и П01 соответственно) с их выходов поступают на третьи входы соответствующих КК ТЧ (58) и (57). На первые входы КК ТЧ (57) и (58) поступают видеосигнал вида (23) и шумовая составляющая вида (26) (синфазный канал), а на вторые входы КК ТЧ (57) и (58) видеосигнал вида (29) и шумовая составляющая вида (32) (квадратурный канал). В КК ТЧ (57) и (58) осуществляется свертка поступивших на их входы сигналов и на их выходах появляются сигналы, несущие информацию о величине смещения по времени тактовых частот принимаемого и опорного сигналов. Работу КК ТЧ (57) и (58) рассмотрим на примере работы КК ТЧ (57) по структурной схеме, представленной на фиг.2в.
т
Пусть на первый вход КК ТЧ, а, следовательно, и на первый вход П(1), поступает видеосигнал вида (23) и помеха вида (26), а на второй вход КК ТЧ, а, следовательно, на первый вход П (5), поступает видеосигнал вида (29) и помеха вида (32), а на третий вход КК ТЧ, а следовательно и на вторые входы П (1) и (5), с выхода См2 (55) поступает результирующая последовательность вида П01.
В результате перемножения в П (1) и (5) с сигналов, поступивших на их первые входы, «снимается» маскирующая последовательность П0 (при условии точного совпадения тактовых частот) и на их выходах появляются отсчеты информационной составляющей, переданной в синфазном канале, шумовой составляющей и составляющей о рассогласовании тактовых частот принятого и опорного сигналов, которые поступают на соответствующие входы ЦФНЧ (2) и (6).
В ЦФНЧ (2) и (6) высокочастотные составляющие, поступившие на их вход подавляются, а на выходе появляются отсчеты информационной составляющей, отсчеты шумовой составляющей и составляющей о рассогласовании тактовых частот принятого и опорного сигналов, усредненные на интервале информационного символа.
Аналитически сигнал на выходе ЦФНЧ (2)  можно представить следующим образом:
Учитывая, что на интервале информационного символа на выходе П (1) появятся N отсчетов, выражение (37) можно представить в виде
где  - усредненное значение составляющей о рассогласовании тактовых частот принятого и опорного сигналов в синфазном канале;
,  - отсчеты шумовых составляющих квадратурного и синфазного каналов соответственно.
А сигнал на выходе ЦФНЧ (6)  можно представить следующим образом
Учитывая, что на интервале информационного символа на выходе П (5) появятся N отсчетов, выражение (39) можно представить в виде
где  - усредненное значение составляющей о рассогласовании тактовых частот принятого и опорного сигналов в квадратурном канале;
Из выражений (38) и (40) следует, что составляющие на выходах ЦФНЧ (2) и ЦФНЧ (6) имеют разные знаки.
вых
С выхода ЦФНЧ (2) отсчеты подаются на первый вход См (3), а с выхода ЦФНЧ (6) через Инв. (7) - на второй вход См (3), в котором происходит их суммирование. Результат сложения s(τ) можно представить в виде
cs
sn
где r(τ)=r(τ)+r(τ) - суммарное усредненное значение составляющих о рассогласовании тактовых частот принятого и опорного сигналов в синфазном и квадратурном каналах.
Сигнал вида (41) с выхода См (3) через линию задержки (4), в которой происходит задержка сигнала на время, равное длительности информационно символа, поступает на выход КК ТЧ (57).
Аналогичные преобразования происходят и в КК ТЧ (58). Тогда сигнал на выходе КК ТЧ (58) можно представить в виде
Из анализа выражений (41) и (42) следует, что:
r(τ) определяет величину и знак рассогласования тактовых частот принимаемого и опорных сигналов приемника;
на оценку задержки τ влияет точность слежения за фазой несущей φ, значение которой компенсируется в цепи слежения за несущей (будет рассмотрено ниже), а также информационные составляющие θ1 и θ2, которые компенсируются в перемножителях (59) и (60).
Сигналы с выходов КК ТЧ (57), (58) подаются на соответствующие первые входы П (59) и (60), на вторые входы которых поступают сигналы с девятого и десятого выходов КВИ (67) соответственно. В перемножителях (59) и (60) с сигналов вида (41) и (42) происходит снятие информационной составляющей, т.е. исключается влияние передаваемой информации на оценку величины задержки τ. Далее сигналы с выходов перемножителей (59) и (60) поступают на первый и второй входы См (61), соответственно, в котором формируется результирующий сигнал ошибки, пропорциональный величине временного рассогласования тактовых частот принятого и опорного сигналов. При условии, что φ=0, выражение для результирующего сигнала ошибки можно представить в виде
С выхода См (61) через открытый ЭК (56) результирующий сигнал ошибки вида (43) поступает на вход ФОЗ (53), замыкая петлю слежения за тактовой частотой.
o
Из выражения (43) можно оценить отношение мощностей сигнала и шума на входе ФОЗ (53) при максимальном расхождении тактовых частот, т.е. при расхождении на величину τ=±T/2, при котором r(τ)=1.
Выражение (44) дает основание считать, что в предложенной схеме слежения за тактовой частотой отсутствуют потери в отношении сигнал/шум, т.е. данная схема слежения является оптимальной.
Работа приемника в режиме слежения за несущей частотой. Процесс формирования сигнала о величине рассогласования несущей и опорной частот происходит следующим образом.
Сигнал с выхода ФПЧ (19) (синфазный канал) поступает на первый вход ПЧ (5), а с выхода ФПЧ (33) (квадратурный канал) - на первый вход ПЧ (15). На вторые входы ПЧ (5) и ПЧ (15) подается сигнал с выхода ОГ (17). Причем на второй вход ПЧ (5) непосредственно, а на второй вход ПЧ (15) - через ФВ (16).
В ПЧ (5) и (15) в результате перемножения сигналов, поступивших на их входы, на их выходах появляются составляющие суммарной и разностной частот сигнала и шума.
Составляющие суммарной частоты сигнала и шума подавляются ШФНЧ (6) и (14), а составляющие разностной частоты (видеосигнал) проходят через ШФНЧ (6) и (14) и подаются на входы АЦП (7) и (13) соответственно, в которых видеосигнал преобразуется в цифровую форму.
Указанные выше преобразования аналитически можно представить следующим образом.
вых5
Сигнальную составляющую на выходе ПЧ (5) s(t) (синфазный канал) в общем виде можно представить как
ог
пр
а с учетом выражений (8) и (13), а также условия, что ω=ω выражение (45) примет вид
Сигнал вида (46) поступает на вход ШФНЧ (6), в котором происходит подавление высокочастотных составляющих и селекция видеосигнала. После этих преобразований в ШФНЧ (6) на его выходе сигнальная составляющая будет иметь вид
вых5
Шумовую составляющую на выходе ПЧ (5) n(t) (синфазный канал) в общем виде можно представить как
ог
пр
С учетом выражений (8) и (14), а также условия, что ω=ω выражение (48) примет вид
Сигнал вида (49) поступает на вход ШФНЧ (6), а после преобразований в ШФНЧ (6) на его выходе шумовая составляющая будет иметь вид
вых15
Сигнальную составляющую на выходе ПЧ (15) s(t) (квадратурный канал) в общем виде можно представить как
ог
пр
а с учетом выражений (7), (15), а также условия, что ω=ω выражение (51) примет вид
Сигнал вида (52) поступает на вход ШФНЧ (14), в котором происходит подавление высокочастотных составляющих и селекция видеосигнала. После этих преобразований в ШФНЧ (14) на его выходе сигнальная составляющая будет иметь вид
вых15
Шумовую составляющую на выходе ПЧ (15) n(t) (квадратурный канал) в общем виде можно представить как
ог
пр
С учетом выражений (7) и (16), а также условия, что ω=ω выражение (54) примет вид
Сигнал вида (55) поступает на вход ШФНЧ (14), а после преобразований в ШФНЧ (14) на его выходе шумовая составляющая будет иметь вид
С выхода АЦП (13) видеосигнал в цифровой форме подается на первые входы КК НЧ (8) и (12), а с выхода АЦП (7) - на вторые входы КК НЧ (8) и (12). На третий вход КК НЧ (8) с восьмого выхода КВИ (67) поступает результирующая последовательность П01, а на третий вход КК НЧ (12) с седьмого выхода КВИ (67) поступает результирующая последовательность П02.
В КК НЧ (8) и (12) осуществляется свертка поступивших на их входы сигналов и на их выходах появляются сигналы, несущие информацию о величине рассогласования принятой несущей и опорной частот. Работу КК НЧ (8) и (12) рассмотрим по структурной схеме, представленной на фиг.2б.
Работа КК НЧ (8). Пусть на первый вход КК НЧ (8), а, следовательно, и на первый вход П (1), поступает видеосигнал вида (53) и помеха вида (56), а на второй вход КК НЧ (8), а, следовательно, на первый вход П (5), поступает видеосигнал вида (47) и помеха вида (50), а на третий вход КК НЧ (8), а, следовательно, и на вторые входы П (1) и (5), поступает результирующая последовательность вида П01.
В результате перемножения в П (1) и (5) с сигналов, поступивших на их первые входы, «снимается» маскирующая последовательность 770 (при условии отсутствия задержки тактовых частот) и на их выходах появляются отсчеты информационной составляющей, переданной в синфазном канале, шумовой составляющей и составляющей о рассогласовании несущей и опорной частот, которые поступают на соответствующие входы ЦФНЧ (2) и (6).
В ЦФНЧ (2) и (6) высокочастотные составляющие, поступившие на их вход подавляются, а на выходе появляются отсчеты информационной составляющей, отсчеты шумовой составляющей и составляющей о рассогласовании несущей и опорной частот, усредненные на интервале информационного символа.
Аналитически сигнал на выходе ЦФНЧ (2)  можно представить в виде
Учитывая, что на интервале информационного символа, на входе ЦФНЧ (2) появятся N отсчетов, а тактовые частоты совпадают по задержке, выражение (57) можно представить в виде
а на выходе ЦФНЧ (6)  - в виде
Сигнал вида (58) с выхода ЦФНЧ (2) поступает на первый вход сумматора (3), а сигнал вида (59) с выхода ЦФНЧ (6) поступает на второй вход сумматора (3). В сумматоре (3) происходит сложение указанных выше сигналов и на выходе См (3) суммарный сигнал  будет иметь вид
Сигнал вида (60) с выхода См (3) через линию задержки (4), в которой происходит задержка сигнала на время, равное длительности информационно символа, поступает на выход КК НЧ (8), т.е. .
l1
Принимая во внимание, что θ1 принимает значения (0 или π), выражение (60) можно представить в виде
Работа КК НЧ (12). На первый вход КК НЧ (12), а, следовательно, и на первый вход П (1), поступает видеосигнал вида (53) и помеха вида (56), а на второй вход КК НЧ (12), а, следовательно, на первый вход П (5), поступает видеосигнал вида (47) и помеха вида (50), а на третий вход КК НЧ (12), а следовательно и на вторые входы П (1) и (5), поступает результирующая последовательность вида П02.
В КК НЧ (12) с поступившими на его входы сигналами происходят преобразования аналогичные преобразованиям, которые рассмотрены ранее в КК НЧ (8). Однако, учитывая, что на третий вход КК НЧ (12) поступает результирующая последовательность вида П02, а не П01, как в КК НЧ (8), то на выходе См (3), а, следовательно, и на выходе КК НЧ (12) сигнал будет иметь вид
lK
Принимая во внимание, что θ2 принимает значения (π/2 или -π/2), выражение (62) можно представить в виде
С выхода КК НЧ (8) сигнал вида (61) поступает на первый вход П (9). На второй вход П (9) поступает сигнал с девятого выхода КВИ (67), который компенсирует влияние информационной составляющей на оценку величины сигнала о рассогласовании несущей и опорной частот, и тогда сигнал на выходе П (9) будет иметь вид
С выхода КК НЧ (12) сигнал вида (63) поступает на первый вход П (11). На второй вход П (11) поступает сигнал с десятого выхода КВИ (67), который компенсирует влияние информационной составляющей на оценку величины сигнала о рассогласовании несущей и опорной частот, и тогда сигнал на выходе П (11) будет иметь вид
Сигнал вида (64) с выхода П (9) поступает на первый вход См (10), а сигнал вида (65) - на второй вход См (10). Сигнал на выходе См (10) будет иметь вид
Сигнал вида (66) с выхода См (10) поступает на вход фильтра фазовой ошибки (4) и после фильтрации сигнала в нем результирующее напряжение ошибки с его выхода через управляющий элемент (3) поступает на вход УГ (2), замыкая петлю слежения за тактовой частотой, и изменяет его частоту таким образом, чтобы ликвидировать имеющееся рассогласование по фазе частоты входного сигнала относительно частоты опорного генератора, замыкая петлю слежения за тактовой частотой.
Используя выражение (66) оценим отношение мощностей сигнала и шума на входе ФФО (4) при максимально допустимом расхождении фаз принимаемого и опорного сигналов, т.е. при φ=±π/2
Из выражения (67) следует, что в цепи слежения за несущей имеет место оптимальная фильтрация несущей частоты с возрастанием мощности сигнала в N раз.
Оценка эффективности предложенного технического решения. Из изложенного выше следует, что предложенное техническое решение (приемник) надежно обеспечивает не только обнаружение сигналов и выделение информации, а также слежение за несущей и тактовой частотами. Такой вывод следует из анализа выражений (20), (36), (44) и (67). Так, согласно выражениям (20) и (36), предложенные схемы, обеспечивающие обнаружение сигнала и прием информации, является оптимальными устройствами, так как при их работе отсутствуют потери энергии сигнала, выражение (44) позволяет считать, что в предложенной схеме слежения за тактовой частотой отсутствуют потери в отношении сигнал/шум, т.е. данная схема слежения является оптимальной, а выражение (67) показывает, что в цепи слежения за несущей имеет место оптимальная фильтрация с возрастанием мощности сигнала в N раз.
Общие принципы создания ГКОКП (46) и ГМОКП (47) описаны в [3]. Вариант реализации ГКОКП (46) представлен на структурной схеме (см. фиг.3б). Цифрами на структурной схеме обозначены:
1 - регистр сдвига с нелинейными обратными связями, формирующий М-последовательности (PC);
2 - перемножитель (П);
3 - дешифратор (Дш);
46 - генератор канальных ортогональных кодовых последовательностей.
Сформированные PC (1) нелинейные канальные ортогональные кодовые последовательности снимаются с его К выходов (с 1-ого по K-ый), которые одновременно являются К выходами ГКОКП (46).
l11
l1К
С
Первый выход PC (1) соединен с первым входом П (2), а K-ый - со вторым входом П (2). В перемножителе (2) происходит перемножение двух последовательностей П1 и П2 и на его выходе, который является (K+2)-ым выходом ГКОКП (46), появляется последовательность П, на которую настроен СФ (35).
Выходы PC (1) с (K+1)-ого по (K+n)-ый соединены с соответствующими входами (с 1-ого по n-ый) Дш (3). Известно (см. [5] стр.106), что любая n-значная комбинация (по числу разрядов регистра), характеризующая состояние регистра сдвига в любой момент времени, на периоде генерируемой последовательности встречается только один раз. Дешифратор (3) настроен на комбинацию, которая определяет момент окончания формирования М-последовательности и при появлении которой в разрядах регистра на выходе дешифратора (3), который является (K+1)-ым выходом ГКОКП (46), появляется импульс. Таким образом, на (K+1)-ом выходе ГКОКП (46), формируется поток импульсов, который поступая на седьмые входы всех КВИ, обеспечивает в них синхронную работу интеграторов и декодеров, а также обеспечивает работу Инт. (63).
На первый вход ГКОКП (46), а, следовательно, и на первый вход PC (1) поступает импульс с выхода ПУ (44), который устанавливает PC (1) в исходное состояние, а на второй вход ГКОКП (46), а следовательно и на второй вход PC (1) поступают тактовые импульсы от УТГ (51), которые для PC (1) выполняют роль сдвигающих импульсов.
Литература.
1. Новые стандарты широкополосной радиосвязи на базе технологии W-CDMA, М.: Международный центр научно-технической информации, 1999. (стр.38-58).
2. Моисеев В.Ф., Сивов В.А. Патент №2246181 от 10 февраля 2005 г. Приемник квадратурно-модулированных сигналов со смещением (OQPSK) многоканальной системы с кодовым разделением каналов.
3. Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами / Г.И. Тузов, В.А. Сивов, В.И. Прытков и др.; Под ред. Г.И. Тузова - М.: Радио и связь, 1985. - 264 с. (стр.29).
4. Мазурков М.И. Системы широкополосной радиосвязи: учеб. пособие для студен, вузов. - О.: Наука и техника, 2010. - 340 с.
5. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. / В.Б. Пестряков, В.П. Афанасьев, В.Л. Гурвиц и др.; Под ред. проф. В.Б. Пестрякова. - М.: «Сов. Радио», 1973. 424 с.