Способ помехозащищенной передачи дискретных сигналов на основе частотной манипуляции
METHOD FOR NOISE-PROOF TRANSMISSION OF DISCRETE SIGNALS BASED ON FREQUENCY SHIFT KEYING

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для применения в помехозащищенных системах радиосвязи.
Известен «Способ формирования шумоподобных радиоимпульсов для передачи бинарных символов информации сложными сигналами» (Патент РФ № 2231924, МПК Н04В 1/69, опубл. 27.06.2004 Бюл. №18). B этом способе осуществляют минимальную кодочастотную модуляцию несущей частоты путем суммирования модулированных по амплитуде и фазе колебаний квадратурных каналов, модулирующие кодовые последовательности которых получают перекодировкой кодовой последовательности шумоподобного радиоимпульса.
Недостатком известного способа является низкая помехозащищенность в условиях воздействия помех, согласованных со спектром полезного сигнала, от сторонних радиоэлектронных средств (РЭС).
Известен «Способ формирования сигнала в режиме программной перестройки рабочей частоты с изменяющейся полосой частот» (Патент РФ № 2749863, МПК H04B 1/713, опубл.17.06.2021. Бюл. №17). B этом способе первичный сигнал модулируют цифровой последовательностью, расширенной кодами Баркера различной разрядности, выбор которых осуществляется в соответствии с заданной первой псевдослучайной кодовой цифровой последовательностью (ПКЦП). Затем полученный сигнал перемножают с опорными колебаниями, частоты которых изменяются в соответствии со второй ПКЦП. После чего передают сформированный сигнал на приемную сторону. При этом осуществляют синхронный выбор номера частоты и номера кода Баркера, в соответствии с первой и второй ПКЦП.
Недостатком данного способа является низкая помехозащищенность в условиях воздействия помех, согласованных со спектром полезного сигнала, от сторонних РЭС.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является «Способ передачи дискретных сигналов на основе частотной модуляции» (Патент РФ № 2752650 «Способ передачи дискретных сигналов на основе частотной модуляции», МПК H04L 3/46, опубл. 29.07.2021 Бюл. № 22). В способе-прототипе методами частотной манипуляции формируют радиосигнал перестановочной модуляции на основе кодирования информационного слова последовательностью с постоянным весом. Количество поднесущих формируемого радиосигнала выбирают в соответствии с разрядностью кода. Информационный поток двоичных бит разбивают на информационные блоки в соответствии с числом доступных комбинаций и формируют сигналы в виде амплитудно-манипулированных колебаний на длительности каждого передаваемого символа только на тех поднесущих, которым соответствуют информационные единицы.
Формирование радиосигнала осуществляют на основе аддитивного объединения сформированных сигналов. Формируют случайную двоичную последовательность, на основе которой осуществляют фазовую манипуляцию низкочастотной несущей. Фазоманипулированным сигналом производят частотную модуляцию рабочей частоты с малым индексом модуляции. Причем длительность элемента случайной двоичной последовательности, значение частоты несущей и индекс частотной модуляции выбирают таким образом, чтобы частотно-манипулированный сигнал и сигнал частотной модуляции на рабочей частоте занимали одинаковую полосу частот.
При приеме сигнала первоначально вычитают сигнал частотной модуляции, после чего демодулируют результирующий частотно-манипулированный сигнал на поднесущих частотах как независимые частотно-разнесенные амплитудно-манипулированные колебания.
Недостатком способа-прототипа является низкая помехозащищенность в условиях воздействия помех, согласованных со спектром полезного сигнала, от сторонних РЭС.
Задачей изобретения является создание способа, позволяющего за счет расширения частотного спектра и ограничения энергетического порога демодуляции для сторонних РЭС повысить помехозащищенность приема полезных сигналов.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение помехозащищенности приема сигналов в условиях помех от сторонних РЭС, согласованных со спектром полезного сигнала.
Заявляемый технический результат достигается в предлагаемом способе помехозащищенной передачи дискретных сигналов на основе частотной манипуляции, при котором выбирают код с постоянным весом для кодирования поднесущих формируемого радиосигнала таким образом, чтобы разрядность кода соответствовала числу доступных для передачи поднесущих, разбивают битовый поток на информационные блоки в соответствии с числом доступных комбинаций кода, определяющих его алфавит, ставят в соответствие каждому информационному блоку свою уникальную комбинацию элементов кода, формируют сигналы в виде амплитудно-манипулированных колебаний на длительности каждого передаваемого символа только на тех поднесущих, которым соответствуют информационные единицы, после чего осуществляют аддитивное сложение сформированных сигналов на всех поднесущих, принимаютрезультирующий частотно-манипулированный сигнал на поднесущих частотах как независимые частотно-разнесенные амплитудно-манипулированные колебания, формируют первую случайную двоичную последовательность, на основе которой осуществляют фазовую манипуляцию низкочастотной несущей, согласно изобретению частотно-манипулированный сигнал формируют на рабочей частоте, фазоманипулированным сигналом производят частотную модуляцию первой промежуточной частоты, причем индекс частотной модуляции выбирают таким образом, чтобы полоса частот сформированного сигнала не менее чем в десять раз превышала полосу частот частотно-манипулированного сигнала, формируют вторую случайную двоичную последовательность, на основе которой производят фазовую манипуляцию второй промежуточной частоты, причем длительность элемента второй случайной двоичной последовательности задают таким образом, чтобы полосы частот сформированных фазоманипулированного сигнала и сигнала частотной модуляции совпадали, уровень фазоманипулированного сигнала увеличивают до значения, при котором в результате сложения фазоманипулированного сигнала и сигнала частотной модуляции возникает пороговый эффект, частоту сигналов, сформированных на первой и второй промежуточных частотах преобразуют до значения рабочей частоты, излучают суммарный сигнал, прием осуществляется в полосе частот суммарного сигнала, причем первоначально вычитают частотно-модулированный и фазоманипулированный сигналы, после чего в полосе частот сигнала частотной манипуляции производят его демодуляцию.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявляемом способе повышение помехозащищенности формируемого дискретного сигнала осуществляется за счет расширения его спектра и ограничения для сторонних несанкционированных РЭС порога демодуляции.
Заявленный способ поясняется чертежом (фиг.1), на котором показаны:
а) случайная двоичная последовательность;
б) сигнал фазовой низкочастотной манипуляции;
в) сигнал частотной манипуляции;
г) сигнал частотной модуляции;
д) сигнал фазовой манипуляции;
е) суммарный сигнал.
Реализация заявляемого способа в соответствии с фиг.1 осуществляется следующим образом:
1. Выбирают код с постоянным весом для кодирования поднесущих формируемого радиосигнала таким образом, чтобы разрядность кода соответствовала числу доступных для передачи поднесущих.
2.  Разбивают битовый поток на информационные блоки в соответствии с числом доступных комбинаций кода, определяющих его алфавит, ставят в соответствие каждому информационному блоку свою уникальную комбинацию элементов кода.
F
f
F
f
U
f
f
1
6
чмн
р
3. Формируют сигналы в виде амплитудно-манипулированных колебаний на длительности каждого передаваемого символа только на тех поднесущих, которым соответствуют информационные единицы, после чего осуществляют аддитивное сложение сформированных сигналов на всех поднесущих (см. фиг. 1, в ()…()). Причем частотно-манипулированный() сигнал формируют на рабочей частоте.
U
t
U
t
сп
нфм
4.  Формируют первую случайную двоичную последовательность, () (фиг. 1, а), на основе которой осуществляют фазовую манипуляцию низкочастотной несущей (см. фиг. 1, б ()).
Процедуры по п. 1 – п. 4 идентичны аналогичным процедурам способа-прототипа.
f
U
f
пч1
чм
5. Фазоманипулированным сигналом производят частотную модуляцию первой промежуточной частоты , причем индекс частотной модуляции выбирают таким образом, чтобы полоса частот сформированного сигнала не менее чем в десять раз превышала полосу частот частотно-манипулированного сигнала(см. фиг. 1, г()).
Процедура частотной модуляции несущей является известной и приведена, в частности, в (Патент РФ № 2166833 «Цифровой синтезатор частотно-модулированных сигналов», МПК H03L 7/18, опубл. 10.05.2001. Бюл. № 13). Операции выбора значения индекса частотной модуляции, а также значений полосы частот частотно-модулированного и частотно-манипулированных сигналов являются известными и описаны, в частности, в (Д.Д. Кловский. Теория передачи сигналов. Учебник – М. 1973 г.).
Процедура выбора номинального значения промежуточной частоты является известной и приведена, в частности, в (C.В. Дворников и др. Радиоприемные устройства. Учебник – СПБ. ВАС, 2016 г.), а также технически реализована, например, в радиоприемных устройствах серий Р-160П, Р-170П.
f
U
f
U
f
U
f
пч2
фм
чм
фм
6. Формируют вторую случайную двоичную последовательность, на основе которой производят фазовую манипуляцию второй промежуточной частоты, причем длительность элемента второй случайной двоичной последовательности задают таким образом, чтобы полосы частот сформированных фазоманипулированного сигнала() и сигнала частотной модуляции() совпадали (см. фиг. 1, д ()).
Процедура формирования второй случайной двоичной последовательности аналогична процедуре формирования первой случайной двоичной последовательности (см. п. 4). Процедура выбора значения второй промежуточной частоты осуществляется аналогично п. 5.
Осуществление фазовой манипуляции частоты является также известным и приведено, например, в (Патент РФ № 2578751 «Способ фазовой манипуляции и устройство для его реализации», МПК H04L 27/18, опубл. 27.03.2016. Бюл. № 9) или в (Д.Д. Кловский. Теория передачи сигналов. Учебник – М. 1973 г.).
Расчет ширины полос частот сигнала частотной модуляции и манипуляции на основе параметров первичных электрических сигналов является известной процедурой, которая представлена, например, в (Д.Д. Кловский. Теория передачи сигналов. Учебник – М. 1973 г.).
U
f
U
f
U
f
фм
фм
чм
7. Уровень фазоманипулированного сигнала () увеличивают до значения, при котором в результате сложения фазоманипулированного сигнала () и сигнала частотной модуляции () возникает пороговый эффект.
Увеличение уровня сигнала до необходимого уровня является известным и может быть реализовано на регулируемых усилителях мощности, см. в частности, (Патент РФ № 1530048 «Регулируемый усилитель мощности», МПК H03G 3/20, опубл. 20.08.1999.).
Отличительной особенностью данной процедуры является выбор коэффициента усиления, при котором возникнет пороговый эффект на этапе приема суммарного сигнала частотной модуляции и фазовой манипуляции. Причем сигнал частотной манипуляции в данном случае является помехой при демодуляции частотно-модулированного сигнала.
Явление порогового эффекта при приеме сигналов частотной модуляции, а также способы определения отношения мощностей сигнала и помех, при котором он возникает, является известными и приведены, например, в (Д.Д. Кловский. Теория передачи сигналов. Учебник – М. 1973 г.), или в (C.В. Дворников и др. Радиоприемные устройства. Учебник – СПБ. ВАС, 2016 г.).
f
f
f
U
f
пч1
пч2
р
рс
8. Частоту сигналов, сформированных на первой  и второй промежуточных частотах преобразуют до значения рабочей частоты, излучают суммарный сигнал () (см. фиг. 1, е).
Преобразование частоты сигналов является известной процедурой, технически реализуемой на основе преобразователей частоты, описание которых представлено, например, в [http://bourabai.ru/toe/radio33.htm].
Излучение радиосигнала осуществляется на основе радиопередающих устройств, техническая реализация которых является известной, см. например, (В.В. Шахгильдян и др. Радиопередающие устройства. Учебник – М. Радио и связь).
U
f
U
f
U
f
U
f
рс
чм
фм
чмн
9. Прием осуществляется в полосе частот суммарного сигнала() (см. фиг. 1, е), причем первоначально вычитают частотно-модулированный () и фазоманипулированный () сигналы, после чего в полосе частот сигнала частотной манипуляции () производят его демодуляцию.
Процедура вычитания сигнала частотной модуляции и фазовой манипуляции идентична компенсации помех, является известной и приведена, в частности, в (Патент РФ № 2097921 «Устройство компенсации помех», МПК Н04В 1/10, опубл. 27.11.1997.) или, например, в (Патент РФ № 2100903 «Способ компенсации внутриканальных аддитивных радиопомех в приемниках амплитудно-модулированных, частотно- и фазоманипулированных радиосигналов и устройство для его осуществления», МПК Н04В 1/10, опубл. 27.12.1997.)
Процедуры дальнейшей обработки сигнала на приемной стороне в отличии от способа-прототипа отличаются тем, что первоначально сигнал принимается в полосе частот суммарного сигнала не менее чем в десять раз превышающей полосу частот частотно-манипулированного сигнала, после осуществления процедуры вычитания дальнейшая демодуляция осуществляется в полосе частот частотно-манипулированного сигнала.
Результаты проведенного имитационного моделирования передачи сообщений в среде МаtLAB на основе разработанного способа подтвердили проявление порогового эффекта при приеме сигнала методами частотной демодуляции, что фактически ограничивает энергетический доступ к формируемому сигналу сторонним РЭС.
Поясним возможность достижения указанного технического результата.
В cпособе-прототипе осуществляется изменение положения несущих в спектре формируемого сигнала в зависимости от кода, определяемым алфавитом передачи информации. Причем несущие сигнала частотной манипуляции формируются в спектре сигнала частотной модуляции с малыми индексами модуляции. При этом полосы частот формирования сигналов частотной манипуляции и модуляции совпадают.
Выбор малого значения индекса частотной модуляции приводит к усложнению дискретного спектра формируемого сигнала, что определяет улучшение свойств его структурной скрытности и существенно затрудняет применение ответных (оптимальных) помех от РЭС. Однако, помехозащищенность приема такого сигнала при воздействии неоптимальных помех от РЭС, сосредоточенных в ширине спектра сигнала, практически не изменяется, поскольку остается неизменной его частотная база и параметры демодуляции.
В заявляемом способе поднесущие сигнала частотной манипуляции формируются в спектре сигнала частотной модуляции при условии, что ширина спектра последнего не менее чем в десять раз превышает ширину спектра частотно-манипулированного сигнала. Выполнение данного условия преобразует дискретный характер спектра в непрерывный см., например, (Д.Д. Кловский. Теория передачи сигналов. Учебник – М. 1973 г.), что, по сравнению с прототипом, приводит к дополнительному улучшению свойств структурной скрытности.
Таким образом, согласно (В.И. Борисов Помехозащищенность систем радиосвязи. Основы теории и принципы реализации. Монография. М. Наука. 2009. – 358 с.) повышение структурной скрытности и увеличение базы сигнала определяет, в целом, улучшение свойств помехозащиенности в условиях приема при воздействии помех от РЭС, согласованных со спектром сигнала.
Кроме того, в заявляемом способе дополнительно в ширине спектра сигнала частотной модуляции на основе фазовой манипуляции псевдослучайной последовательности формируется дополнительный сигнал, уровень которого достаточен для обеспечения порогового эффекта при непосредственной демодуляции формируемого сигнала см., (Д.Д. Кловский. Теория передачи сигналов. Учебник – М. 1973 г.). Данный сигнал фактически является помехой для частотного демодулятора.
Таким образом, предложенный этап формирования сигнала затрудняет выбор способов и параметров демодуляции для сторонних несанкционированных РЭС, а также в условиях взаимных помех от сигналов сторонних РЭС, согласованных со спектром полезного сигнала. Следовательно, существенно повышается помехозащищенность приема сигнала.