СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ АМПЛИТУДНО-ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННОГО СИГНАЛА
METHOD OF GENERATING AMPLITUDE AND PHASE-SHIFT KEYED SIGNAL

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к способам формирования сигналов амплитудно-фазовой манипуляции, применяемым на линиях радиосвязи, которые также могут быть использованы в радиосистемах со сложными сигналами и скремблерах.
0
н1
0
н2
н1
Известен способ передачи информации широкополосными псевдослучайными сигналами (Патент РФ №2422989, МПК H04B 1/10, 2006 г.), в котором на передающей стороне системы связи производят наложение на информационный сигнал основной псевдослучайной последовательности (ПСП), задаваемой генератором ПСП с минимальной длительностью импульса τ, причем этой ПСП модулируют несущую частоту основного передатчика f, расположенную в середине выделенной полосы частот F, на приемной стороне принятый сигнал в приемнике перемножают на основную ПСП, задаваемую аналогичным генератором ПСП, детектируют синхронным детектором, обрабатывают в накопителе-интеграторе, определяют полярность принятого информационного сигнала в решающем устройстве, с выхода которого снимают информацию потребителю. В моменты времени передачи основным передатчиком блоков однополярных импульсов основной ПСП длительности ≥3τ осуществляют передачу дополнительной информации, излучаемой дополнительным передатчиком, несущую частоту которого выбирают из соотношения f=f±1/3 F, а минимальную длительность импульса излучения дополнительного передатчика выбирают равной 3 Гц, причем излучение дополнительного передатчика осуществляют синхронно и синфазно с излучением упомянутых блоков однополярных импульсов основной ПСП. На приемной стороне прием этой информации осуществляют дополнительным приемником.
Недостатком данного способа является то, что сформированный модифицированный сигнал предусматривает синфазную и синхронную передачу сформированных блоков, которые предполагают корреляционную обработку на приеме встроенным дополнительным приемником, что затрудняет их использование для многопозиционных сигналов в условиях действия преднамеренных помех.
Известен способ передачи информации в системе связи с шумоподобными сигналами (Патент РФ №2286017, МПК H04B 7/216, 2006 г.), в котором цифровые данные, получаемые от источника информации на временном промежутке [(n-1), nT], где T - период ПСП, n=0, 1, 2 …, при передаче преобразуют в сдвиг ПСП, формируемой на временном промежутке [(n-1), nT], а при приеме определяют величину сдвига ПСП принятого сигнала относительно ПСП ранее принятого сигнала, величину сдвига преобразуют в цифровые данные принятой информации.
Недостатком данного способа является относительно низкая помехоустойчивость сформированного сигнала при воздействии преднамеренных помех.
Наиболее близким аналогом (прототипом) к заявленному способу по своей сущности и достигаемому техническому результату является способ формирования фазоманипулированного псевдослучайного сигнала, описанный в книге Л.Е. Варакина «Системы связи с шумоподобными сигналами», М., «Радио и связь», 1985 г., рис.1.7. В способе-прототипе формирование ФМ псевдослучайного сигнала включает следующую последовательность действий: принимают информационный цифровой сигнал, модифицируют принятый сигнал, для чего генерируют двоичную фазоманипулированную ПСП длины n (n - база сигнала), с использованием которой модифицируют информационный цифровой сигнал, генерируют сигнал несущей частоты, над которым выполняют операцию балансной модуляции с помощью модифицированного информационного сигнала, полученный после балансной модуляции сигнал усиливают и излучают.
Недостатком ближайшего аналога является то, что сформированные фазоманипулированные псевдослучайные сигналы обладают относительно низкой помехозащищенностью в условиях воздействия помех при ограничении средней мощности источника, в частности, по отношению к импульсным помехам, сосредоточенным на небольшом числе субэлементов ПСП.
Целью заявляемого технического решения является разработка способа формирования амплитудно-фазоманипулированного псевдослучайного сигнала, обладающего более высокой помехоустойчивостью за счет формирования и использования для модификации информационного сигнала амплитудно-фазоманипулированной псевдослучайной последовательности, обеспечивающей модифицированному информационному сигналу равномерное распределение на n-мерной сфере [1].
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе формирования ФМ псевдослучайного сигнала, заключающегося в том, что принимают информационный цифровой сигнал, модифицируют его с использованием двоичной ПСП длины n≥1, генерируют сигнал несущей частоты, выполняют операцию балансной модуляции сигнала несущей частоты с помощью модифицированного информационного сигнала, после чего полученный сигнал усиливают и излучают, в заявленном способе для модификации информационного сигнала используют многопозиционную амплитудно-фазоманипулированную псевдослучайную последовательность, для формирования которой генерируют N≥1 ПСП, при этом субэлементы каждой i-й ПСП, где i=1, 2, …, N, разделяют во времени на две равные части, первую из которых формируют путем вычисления синуса некоторого псевдослучайного угла из интервала (0, 2π), а вторую - косинуса этого угла, при этом многопозиционную амплитудно-фазоманипулированную ПСП формируют перемножением N сформированных ПСП, а формирование модифицированного информационного сигнала выполняют путем его умножения на сформированную многопозиционную амплитудно-фазоманипулированную ПСП.
Реализация заявляемого способа поясняется структурной схемой (фиг.1), где источник информации (ИИ) 1 своим выходом подключен к первому входу модификатора информационного сигнала 2, к второму входу которого подключен преобразователь ПСП 3, входы которого соединены с выходами вычислителя sin/cos 4, который своими входами подключен к выходам датчика псевдослучайных углов 5, при этом выход модификатора информационного сигнала 2 подключен к первому входу балансного модулятора 7, второй вход которого соединен с выходом генератора несущей частоты 8, а выход подключен к входу усилителя мощности 9, соединенного свои выходом с передающей антенной 10.
Принцип работы устройства, реализующего заявленный способ формирования амплитудно-фазоманипулированного сигнала, поясняется чертежами фиг.2-9, на которых:
1
на фиг.2 показана первая ПСП, поступающая от датчика псевдослучайных углов и соответствующая значениям псевдослучайного угла α(t);
1
1
на фиг.3 показана первая ПСП γ(t), сформированная вычислителем sin/cos в результате вычисления синуса и косинуса угла α(t);
2
на фиг.4 показана вторая ПСП, поступающая от датчика псевдослучайных углов и соответствующая значениям псевдослучайного угла α(t);
2
2
2
на фиг.5 показана вторая ПСП γ(t), сформированная вычислителем sin/cos в результате вычисления синуса и косинуса угла α(t) вторая ПСП γ(t);
Σ
i
на фиг.6 показана многопозиционная амплитудно-фазоманипулированная ПСП γ(t), сформированная в результате перемножения ПСП γ(t), i=1, 2, … N;
на фиг.7 показан принятый от источника информации информационный цифровой сигнал x(t);
Σ
на фиг.8 показан модифицированный информационный сигнал γ(t)x(t), подаваемый модификатором информационного сигнала на первый вход балансного модулятора;
0
0
на фиг.9 показан сигнал несущей частоты ξ(t)=cos(ωt+φ), поступивший от генератора несущей частоты на второй вход балансного модулятора;
m
Σ
0
0
на фиг.10 показан сигнал s(t)=Sγ(t)x(t)cos(ωt+φ), полученный выполнением операции балансной модуляции сигнала несущей частоты с помощью модифицированного информационного сигнала и его усиления усилителем мощности.
Формирование амплитудно-фазоманипулированного псевдослучайного сигнала s(t) (фиг.10) осуществляют следующим образом:
от источника информации принимают информационный цифровой сигнал x(t) (фиг.7);
Σ
Σ
модифицируют информационный сигнал x(f) (фиг.7) путем его умножения модификатором информационного сигнала на многопозиционную амплитудно-фазоманипулированную ПСП γ(t) (фиг.6), в результате чего получают модифицированный информационный сигнал γ(t)x(t) (фиг.8) и подают его на первый вход балансного модулятора;
0
0
генерируют сигнал несущей частоты ξ(t)=cos(ωt+φ) (фиг.9) генератором несущей частоты и подают его на второй вход балансного модулятора;
0
0
Σ
0
0
m
Σ
0
0
путем балансной модуляции сигнала несущей частоты ξ(t)=cos(ωt+φ) (фиг.9) модифицированным информационным сигналом γ(t)x(t) (фиг.8) формируют амплитудно-фазоманипулированный сигнал ξ(t)=cos(ωt+φ), в результате усиления которого усилителем мощности получают амплитудно-фазоманипулированный сигнал s(t)=Sγ(t)x(t)cos(ωt+φ) (фиг.10),
Σ
Формирование многопозиционной амплитудно-фазоманипулированной ПСП γ(t) (фиг.6) осуществляют следующим образом:
1
2
N
i
генерируют с помощью датчика псевдослучайных углов псевдослучайные последовательности, субэлементы каждой из которых принимают значения в интервале (0, 2π) и соответствуют значениям углов α(t) (фиг.2), α(t) (фиг.4) и т.д. … α(t) с равномерным распределением в интервале (0, 2π) и подают эти последовательности α(t), i=1, 2,…, N на соответствующие входы вычислителя sin/cos;
1
2
N
1
2
N
с помощью вычислителя sin/cos разделяют субэлементы псевдослучайных последовательностей α(t) (фиг.2), α(t) (фиг.4) и т.д. до N α(t) по временным интервалам на две равные части каждый и преобразуют каждый субэлемент путем вычисления синуса от первой его части и косинуса - от второй, в результате чего формируют псевдослучайные последовательности γ(t) (фиг.3), γ(t) (фиг.5), и т.д. … γ(t), которые подают на входы перемножителя;
i
Σ
1
2
N
формируют в результате перемножения перемножителем псевдослучайных последовательностей γ(t), i=1, 2, …, N, многопозиционную амплитудно-фазоманипулированную ПСП γ(t)=γ(t)γ(t)…γ(t) (фиг.6), которую далее подают на второй вход модификатора информационного сигнала для модификации информационного цифрового сигнала x(t) (фиг.7), подаваемого на первый вход модификатора.
Как и в прототипе, работой элементов, формирующих псевдослучайные последовательности (в заявленном устройстве: датчика псевдослучайных углов, вычислителя sin/cos и перемножителя) управляет синхронизатор, подающий на указанные элементы синхронизирующие импульсы.
Новая совокупность существенных признаков позволяет достичь указанного технического результата, заключающегося в повышении помехоустойчивости излучаемого сигнала при воздействии преднамеренных помех за счет модификации передаваемого сигнала сформированной многопозиционной амплитудно-фазоманипулированной псевдослучайной последовательностью.
Так, в общем случае модифицированный информационный сигнал можно представить вектором γx в n-мерном пространстве, где x-n-вектор информационного сигнала, γ - оператор псевдослучайного преобразования сигнала.
При этом передаваемый амплитудно-фазоманипулированный псевдослучайный сигнал имеет вид
m
0
0
s(t)=Sγ(t)x(t)cos(ωt+φ),
m
0
0
где S, ω, φ - соответственно амплитуда, частота и фаза несущего сигнала.
При воздействии в канале передачи информации помехи v(t) на вход приемника будет поступать сигнал
m
0
0
u(t)=s(t)+v(t)=Sγ(t)x(t)cos(ωt+φ)+v(t).
После выполнения в приемнике корреляционной обработки и обратного к γ преобразования γ′ вектор x^, описывающий полученный в результате обработки приемником принятый информационный цифровой сигнал, будет иметь вид:
<mrow><msup><mi>x</mi><mo>∧</mo></msup><mo>=</mo><mi>x</mi><mo>+</mo><mi>γ</mi><mo>'</mo><mi>v</mi><msqrt><mrow><msub><mi>Е</mi><mi>п</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>Е</mi><mi>с</mi></msub></mrow></msqrt></mrow>
п
с
где Е, Е - соответственно энергия реализации помехи v(t) и сигнала s(t).
Σ
Σ
<mrow><mi>γ</mi><msub><mo>'</mo><mi>Σ</mi></msub><mi>v</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><msub><mi>Е</mi><mi>п</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>Е</mi><mi>с</mi></msub></mrow></msqrt></mrow>
Для многопозиционной амплитудно-фазоманипулированной ПСП преобразование γ=γ, равномерно распределяет сигнал x на n-мерной сфере, при этом обратное преобразование γ′ (образованное многопозиционной амплитудно-фазоманипулированной ПСП с противоположными значениями псевдослучайных углов) также является равномерно распределяющим на n-мерной сфере, так что для любого вектора помехи v аддитивная помеха
, действующая на информационный сигнал x, является равномерно распределенной на n-мерной сфере, что не позволяет оптимизировать структуру помехи для подавления канала передачи информации.
<mrow><mi>γ</mi><mo>'</mo><mi>v</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><msub><mi>Е</mi><mi>п</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>Е</mi><mi>с</mi></msub></mrow></msqrt></mrow>
В то же время для используемой в прототипе двоичной фазоманипулированной ПСП обратное преобразование сводится к покомпонентному умножению на двоичную фазоманипулированную ПСП. В таком случае вектор аддитивной помехи
, действующей на информационный сигнал, зависит от сформированной помехи v, что позволяет источнику помехи эффективно подавлять канал передачи информации путем оптимизации структуры помехи. Как показано в [3], наиболее эффективное подавление радиолинии с фазоманипулированными псевдослучайными сигналами источником помехи с ограниченной средней мощностью и возможностью постановки помех с большим пикфактором может быть осуществлено при сосредоточении энергии помехи на сравнительно небольшом числе субэлементов каждого сигнала.
Сравнительный анализ на основе методики [3] помехоустойчивости в условиях преднамеренных помех радиолинии с заявленным способом формирования амплитудно-фазоманипулированного сигнала и радиолинии, в которой осуществляют формирование фазоманипулированных сигналов (как в прототипе), приведен в приложении 1. Из приведенного анализа следует, что уже при базе сигнала n≥20 использование заявленного способа формирования амплитудно-фазоманипулированного сигнала в условиях воздействия преднамеренной помехи с ограниченной средней мощностью дает выигрыш в помехозащищенности радиолинии более 2 дБ. С ростом базы сигнала этот выигрыш существенно увеличивается, о чем свидетельствуют приведенные графики зависимости (см. фиг.11).
Таким образом, реализация и внедрение заявленного способа формирования амплитудно-фазоманипулированного псевдослучайного сигнала обеспечивает максимальную неопределенность параметров излучаемого сигнала, что повышает помехоустойчивость передаваемого сигнала в условиях воздействия преднамеренных помех при ограничении средней мощности их источника,
Литература
1. Чуднов A.M. Помехоустойчивость корреляционного приема псевдослучайных сигналов, модулированных по амплитуде и фазе //Радиотехника и электроника, 1987. - т.XXXII. - N1, - С.62-68.
2. Чуднов A.M. Теоретико-игровые задачи синтеза алгоритмов формирования и приема сигналов. //Проблемы передачи информации, 1991, т.27, №3. - С.57-65.
3. Чуднов A.M. Анализ помехозащищенности линий и сетей связи. - Л.: ВАС, 1988.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Порядок расчета помехозащищенности линий связи при различных способах формирования сигнала
При формировании ФМ ПСП сигнала вероятность ошибки при заданной пиковой мощности помехи соответствует выражению [3]
псп
пик
ξ
ξ
-2
где В - база сигнала, δ′ - значение пиковой мощности помехи, δ′=(h′).
ξ
пик
псп
При δ′<<δ′ для нечетных значений базы В может быть использовано выражение
max
псп
пик
<mrow><mi>h</mi><msub><mo>'</mo><mrow><mi>п</mi><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>δ</mi><msub><mo>'</mo><mrow><mi>п</mi><mi>и</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mo>−</mo><mfrac bevelled="true"><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac></mrow></msup></mrow>
где j=В(1-h′)/2,
.
псп
В частности, при В=1 из (2) вытекает выражение
При формировании АФМ ПСП сигнала для анализа и синтеза используется выражение [2]
псп
где В=В,  - неполная бета-функция, определяемая выражением
псп
Для нечетных значений величины базы сигнала В=2k+1 из (3), (4) можно получить расчетное соотношение
пик
Графики зависимостей Р(δ), рассчитанных на основе соотношений (1)-(6), представлены для различных значений базы псевдослучайных сигналов на фиг.11.