СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ
METHOD OF TRANSMITTING AND RECEIVING DIGITAL INFORMATION

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в устройствах передачи информации для достижения информационной скрытности передаваемого цифрового сигнала в условиях сети связи специального назначения.
Известен способ, описанный в патенте РФ №2231220, H04B 1/713, авторов Герасименко В.Г., Тупота В.И., Тупота А.В., 20.06.2004 г., «Способ передачи дискретной информации в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты», в котором информационный сигнал делится на блоки, из которых формируются пакеты посредством применения помехоустойчивого кодирования, затем эти пакеты модулируются на частотах в соответствии с законами ППРЧ на основании псевдослучайных последовательностей двоичных чисел, генерируемых k-разрядным регистром сдвига с обратной связью, и передаются сразу по нескольким каналам. То есть происходит одновременная передача информационного пакета на нескольких частотах. При поражении одних частот преднамеренными и непреднамеренными помехами и блокировании передачи на них происходит успешная передача на других частотах.
Недостатком данного способа является то, что передаваемая информация не защищена от несанкционированного доступа, и, кроме этого, одновременное использование сразу нескольких частот для передачи ухудшает ЭМС радиосредств.
Известен способ, описанный в патенте РФ №2178237, H04B 1/713, авторы Деркач Е.Н., Попов В.И., Лазоренко B.C., Сивоконев Г.Н., 10.01.2002 г., «Способ передачи дискретной информации в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты и устройство, его реализующее», в котором информационный сигнал делится на пакеты, каждый пакет модулируется на частоте в соответствии с законом ППРЧ согласно одной из двух или нескольких ПСП с выбором частоты передачи, на которой помеховая обстановка благоприятна. На приемном конце также производится контроль помеховой обстановки и на основе этой информации с приемного конца на передающий подается сигнал на пропуск одного из тактов ПСП, если частота этого такта на приемной стороне поражена помехой, и передача очередного пакета будет осуществляться на частоте следующего после пропущенного такта ПСП. Таким образом, учитывается влияние помех на различных частотах как на передающем, так и на приемном концах протяженных радиолиний.
Недостатком данного способа является то, что передаваемая информация не защищена от несанкционированного доступа.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ, описанный в патенте РФ №2099886, H04L 5/02, Булычев О.А., Калинин В.М., Попов В.И., 20.12.1997 г., «Способ передачи информации в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочих частот и устройство, его реализующее», принятый за прототип.
Устройство, реализующее описанный способ-прототип, представлено на фиг.1, где введены следующие обозначения:
1
- блок ГПСП
1.0.1
- генератор первой ПСП
1.0.2
- коммутатор
1.0.3
- генератор второй ПСП
2
- передатчик
2.0.1
- первый синтезатор частот
2.0.2
- модулятор
3
- УФДП
4.1
- первый приемник
4.1.1
- первый демодулятор
4.1.2
- первый УПЧ
4.1.3
- первый ПЧ
4.1.4
- второй СЧ
4.2
- второй приемник
4.2.1
- второй демодулятор
4.2.2
- второй УПЧ
4.2.3
- второй ПЧ
4.2.4
- третий СЧ
5
- схема сравнения
6.1
- первый контрольный приемник
6.1.1
- первое пороговое устройство
6.1.2
- первый амплитудный детектор
6.1.3
- третий ПЧ
6.1.4
- четвертый синтезатор частот
6.2
- второй контрольный приемник
6.2.1
- второе пороговое устройство
6.2.2
- второй амплитудный детектор
6.2.3
- четвертый ПЧ
6.2.4
- пятый синтезатор частот
7
- первая антенна
8
- источник информации
9
- приемник информации
10
- вторая антенна
11
- синхрогенератор
Устройство, реализующее способ-прототип, работает следующим образом.
Информационный сигнал из источника информации 8 (ИИ) поступает на первый вход устройства формирования и декодирования пакетов 3 (УФДП), где формируются пакеты информации. Последовательно поступающий информационный сигнал делят на блоки заданной длины, к которым добавляют «адрес» корреспондентов, при необходимости маршрут следования пакета и, если есть такая возможность, осуществляют помехоустойчивое кодирование.
Сформированный таким образом пакет подают на второй вход модулятора 2.02 (M) и переносят на радиочастоту. Радиосигнал через первую антенну 7 (A1) излучают в пространство. Каждый пакет информации излучают на частоте согласно кода ПСП1 либо ПСП2.
Переключает последовательности коммутатор 1.02 (K) по команде схемы сравнения 5 (CC). Основанием для выбора ПСП является анализ помеховой обстановки на частотах, на которые должны перестроиться ПСП в следующий такт. Выполняют анализ контрольные приемники 6.1 и 6.2. Рассмотрим его работу на примере приемника 6.1. Код частоты следующего такта первой ПСП с выхода n+1 такта ГПСП1 подают на вход четвертого синтезатора частот 6.1.4 (СЧ4). Синтезатор вырабатывает колебание необходимой частоты, которое подают на второй вход третьего преобразователя частоты 6.1.3 (ПЧ3). На первый вход ПЧ3 6.1.3 поступает помеха, принимаемая второй антенной 10 (A2). В результате преобразования на выходе ПЧЗ выделяют напряжение помех на соответствующей частоте приема. Его детектируют в амплитудном детекторе 6.1.2 (АД1), и по величине напряжения на выходе 6.1.2 пороговое устройство 6.1.1 (ПУ1) делает вывод о наличии или отсутствии помехи на анализируемой частоте. Результат анализа подают на вход CC 5.
Аналогично осуществляется анализ помеховой обстановки на последующей частоте ПСП2. Схема сравнения выбирает нужную частоту из двух предложенных по наименьшему уровню помех и дает команду на подключение К 1.02.
Прием информационного сигнала осуществляют одновременно по обеим программам ПСП приемниками 4.1 и 4.2, так как на приемном конце радиолинии неизвестно на какой из последовательностей будут осуществлять передачу следующего пакета. Вторая антенна 10 преобразует электромагнитное колебание в электрическое и подает его на входы обоих приемников. Работа приемников аналогична. Рассмотрим принцип их действия на примере первого приемника 4.1. Код частоты с выхода текущего такта ГПСП1 1.01 подают на вход СЧ2 4.1.4, который вырабатывает колебание необходимой частоты. Колебание поступает на второй вход ПЧ1 4.1.3. Выделенный на промежуточной частоте сигнал усиливают первым усилителем промежуточной частоты 4.1.2 (УПЧ1) и демодулируют первым демодулятором 4.1.1 (Д1).
Демодулированные сигналы обоих приемников поступают на второй и третий входы УФДП 3. Устройство выделяет тот канал, на котором передавался сигнал по записанному в пакете адресу, декодирует пакет и подает полученный информационный сигнал на приемник информации 9 (ПИ). Кроме того, на основе анализа синхроимпульсов синхрогенератор 11 (СГ) управляет работой ГПСП 1.01 и 1.03.
Недостатком данного способа является то, что передаваемая цифровая информация в открытом виде содержится в передаваемом сигнале, таким образом, не защищена от несанкционированного доступа.
M
1
K
i
Для устранения указанного недостатка в способ передачи и приема цифровой информации, включающий на передающей стороне: деление цифрового сигнала на пакеты длиной M бит, перенос на радиочастоту и передачу каждого пакета на новой частоте, согласно изобретению множеству возможных двоичных кодовых комбинаций пакета длиной M бит с номерами 1…K (K=2) ставится во взаимооднозначное соответствие алфавит гармонических аналоговых сигналов с длительностью, равной длительности пакета цифровой информации, и частотами ω…ω. Текущему пакету цифровой информации, представляющему собой i-ю (i∈1…K) реализацию среди всего множества кодовых комбинаций длиной М бит, ставится в соответствие гармонический сигнал на частоте ω, который и передается по каналу связи. Сопоставление происходит посредством одновременной подачи текущего сформированного пакета из M бит цифровой информации с выходов 1…K устройства деления на пакеты на первые входы схем сравнения, кроме того с дополнительного выхода устройства деления на пакеты поступает управляющий сигнал на вход синхронизирующего устройства, с выходов которого одновременно поступают импульсы на первые входы формирователей кодовых комбинаций, с выходов которых одновременно поступают соответствующие эталонные кодовые комбинации на вторые входы схем сравнения, где происходит сравнение текущей и эталонных кодовых комбинаций, и с выхода той схемы сравнения, в которой произошло совпадение, поступает сигнал на синтезатор соответствующей частоты, который генерирует гармонический сигнал на передачу. Этот сигнал усиливается в усилителе мощности и через антенно-фидерное устройство излучается в пространство; на приемной стороне: на вход антенно-фидерного устройства поступает принимаемый аналоговый сигнал, с выхода которого принятый аналоговый сигнал поступает на устройство, принимающее решение о значении частоты принятого сигнала, в котором поступивший сигнал фильтруется одновременно на всех частотах из алфавита частот передатчика, по номеру фильтра, через который прошел поступивший сигнал, устройство принимает решение о значении частоты и подает сигнал на свой соответствующий i-й выход; с i-го (i∈1…K) выхода устройства сигнал поступает на второй вход соответствующего формирователя кодовой комбинации, который формирует на своем выходе i-ю кодовую комбинацию, а затем сформированная кодовая комбинация, представляющая собой исходный пакет цифровой информации, поступает на вход сумматора, с выхода которого поступает на вход получателя цифровой информации; в результате получаем исходный цифровой сигнал, который состоит из непрерывно формируемых кодовых комбинаций длиной M бит.
На фиг.2 представлена схема приемопередатчика для реализации предлагаемого способа, где введены следующие обозначения:
1 - источник цифровой информации;
2 - устройство деления на пакеты;
1
K
3-3 - схемы сравнения;
1
K
4-4 - синтезаторы частот;
5 - усилитель мощности;
6 - синхронизирующее устройство;
1
K
7-7 - формирователи кодовых комбинаций;
8 - устройство, принимающее решение о значении частоты принятого сигнала;
9 - антенно-фидерное устройство;
10 - получатель цифровой информации;
11 - сумматор.
1
K
1
K
1
K
1
K
Передающая часть приемопередатчика содержит: последовательно соединенные источник цифровой информации 1, устройство деления на пакеты 2, выходы (1…K) которого соединены с первыми входами соответствующих схем сравнения 3-3. Дополнительный выход устройства деления на пакеты 2 соединен со входом синхронизирующего устройства 6, выходы (1…K) которого соединены с первыми входами соответствующих формирователей кодовых комбинаций 7-7, первые выходы которых соединены со вторыми входами соответствующих схем сравнения 3-3, выходы которых соединены со входами соответствующих синтезаторов частот 4-4, выходы которых соединены со входами усилителя мощности 5, выход которого соединен со входом антенно-фидерного устройства 9.
1
K
Приемная часть приемопередатчика содержит: антенно-фидерное устройство 9, выход которого соединен со входом устройства, принимающего решение о значении частоты принятого сигнала 8, выходы (1…K) которого соединены со вторыми входами соответствующих формирователей кодовых комбинаций 7-7, вторые выходы которых соединены с соответствующими входами сумматора 11, выход которого соединен со входом получателя цифровой информации 10.
Предлагаемый способ передачи и приема цифровой информации заключается в следующем.
M
i
На передающей стороне с выхода источника цифровой информации поступает цифровой сигнал на вход устройства деления на пакеты. Цифровая информация делится на блоки длиной M бит. Количество возможных двоичных кодовых комбинаций длиной M бит равно K=2 и представляет собой множество, которому в соответствие ставится алфавит из K гармонических сигналов определенной длительности, равной длительности пакета цифровой информации, на фиксированных частотах ω (i∈1…K). Такое сопоставление осуществляется посредством одновременной подачи одного текущего пакета длиной M бит с выходов (1…K) устройства деления на пакеты на первые входы схем сравнения и параллельной одновременной подачи на вторые входы схем сравнения К эталонных кодовых комбинаций длиной M бит. Такая одновременность достигается путем подачи управляющего сигнала с дополнительного выхода устройства деления на пакеты на синхронизирующее устройство в момент выдачи текущего пакета с выходов (1…K). При получении управляющего сигнала синхронизирующее устройство одновременно со всех своих выходов (1…K) подает управляющие сигналы на формирователи кодовых комбинаций.
i
После осуществления сравнения текущей и эталонных кодовых комбинаций на первых и вторых входах схем сравнения с выхода одной из них с номером i (той, в которой поступившие на первый и второй входы кодовые комбинации совпали) сигнал поступает на вход соответствующего синтезатора частоты, который генерирует сигнал с длительностью, равной длительности пакета цифровой информации длиной M бит и частотой ω. Этот гармонический сигнал поступает на соответствующий вход усилителя мощности. С выхода усилителя мощности сигнал поступает на вход антенно-фидерного устройства и излучается в пространство.
На приемной стороне на вход антенно-фидерного устройства поступает принимаемый аналоговый сигнал. С выхода антенно-фидерного устройства принятый аналоговый сигнал поступает на устройство, принимающее решение о значении частоты принятого сигнала. Принцип работы этого устройства основан на том, что сигнал, приходящий на его вход, фильтруется одновременно на всех частотах из алфавита частот передатчика, по номеру фильтра, через который прошел поступивший сигнал, устройство принимает решение о значении частоты принятого сигнала и, в зависимости от принятого решения, подает сигнал на свой соответствующий выход i. С i-го (i∈1…K) выхода устройства сигнал поступает на второй вход соответствующего формирователя кодовой комбинации, который формирует на своем выходе i-ю кодовую комбинацию, с выхода формирователя кодовой комбинации сформированная комбинация поступает на вход сумматора, с выхода которого кодовая комбинация поступает на вход получателя цифровой информации, то есть получаем исходный цифровой сигнал из непрерывно формируемых кодовых комбинаций длиной M бит.
Преобразование исходного цифрового сигнала в излучаемый сигнал представлено на фиг.3, где в верхней части - исходный цифровой сигнал, а в нижней - сигнал, излучаемый в пространство с АФУ.
При сравнении предложенного способа передачи и приема цифровой информации со способом-прототипом можно выделить следующие отличия в алгоритме работы.
В способе-прототипе используется способ передачи с ППРЧ, то есть каждый пакет цифровой информации модулирует сигнал несущей радиочастоты, причем значение этой частоты для каждого пакета различно и определяется псевдослучайным числом, поступающим с генератора ПСП. При этом в передаваемом сигнале присутствует исходная информация в открытом виде.
В предлагаемом способе также происходит деление цифровой информации на пакеты и передача каждого пакета на различной частоте, однако правило выбора частоты определяется не псевдослучайным числом, а содержимым передаваемого цифрового сигнала, текущей двоичной кодовой комбинацией пакета.
Преимуществом предлагаемого способа является то, что сигнал на радиочастоте не модулируется цифровой информацией, а происходит замена. В результате информационной составляющей в таком сигнале является значение частоты передаваемого сигнала, а исходная цифровая информация в передаваемом сигнале не присутствует. Этим и достигается высокая защита передаваемой информации от несанкционированного доступа. Кроме того, простая форма аналогового сигнала, передаваемого в данном способе, обеспечивает меньшую ширину спектра занимаемых частот, что положительно сказывается на помехозащищенности и условиях ЭМС.
Следующее отличие предлагаемого способа от способа-прототипа состоит в том, что присоединение служебных данных, таких как адрес абонента, помехоустойчивое кодирование и т.п. осуществляется внутри источника цифровой информации, а не в устройстве формирования пакетов, как в прототипе. То есть в предлагаемом способе на выходе источника цифровой информации имеем двоичную последовательность, готовую к передаче.
Таким образом, в предлагаемом способе достигается следующий технический результат:
- улучшение информационной скрытности передаваемых сообщений;
- увеличение помехоустойчивости системы связи;
- экономия используемой системой радиосвязи полосы частот, что улучшает ЭМС внутри системы радиосвязи.
Источники информации
1. Борисов В.И., Зинчук В.М., Лимарев А.Е., Мухин Н.П., Нахмансон Г.С. «Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью». - М.: Радио и связь, 2003. - 640 с.
2. Харкевич А.А. «Спектры и анализ». - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1962. - 236 с.
3. Мартынов В.А., Селихов Ю.И. «Панорамные приемники и анализаторы спектра». - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Советское радио, 1980. - 352 с.