СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ
METHOD OF FORMING NOISE-IMMUNE WIDEBAND SIGNALS

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к беспроводной связи, и может быть использовано для повышения помехоустойчивости передаваемых широкополосных сигналов в системах беспроводной связи.
k
Известен способ формирования фазоманипулированных сигналов в помехозащищенных системах [Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами [Текст]. М.: Радио и связь, 1985. - 384 с.], в котором с помощью линейного сдвигающего регистра, состоящего из k триггеров, формируется кодовая бинарная последовательность, элементы которой принимают значение 0 или 1 и состоящая из N элементов, где N=2-1. Далее каждому элементу последовательности ставится в соответствие радиоимпульс со своей начальной фазой. Если элемент последовательности имел значение 0, то ему ставится в соответствие отрезок синусоидального колебания с начальной фазой 0 градусов, если элемент последовательности имел значение 1, то ему ставится в соответствие отрезок синусоидального колебания с начальной фазой 180 градусов.
Недостатком данного способа является использование недостаточно оптимальной с энергетической точки зрения фазовой модуляции в качестве модулирующего сигнала, а также сравнительно узкий частотный диапазон, занимаемый сигналом, что уменьшает скрытность сигнала.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ формирования помехоустойчивых сигналов, использующий в качестве сигнального базиса биортогональные вейвлет-функции [Анжина В.А., Кузовников А.В., Кухтин В.К., Пашков А.Е., Сомов В.Г., Шайдуров Г.Я., Демаков Н.В. Способ формирования помехоустойчивых сигналов // Патент России №2412551. Дата публикации 20.02.2011 г.]. Согласно способу для формирования широкополосного сигнала используют расширение спектра сигнала методом псевдослучайной последовательности, которую модулируют с использованием биортогональных вейвлет-функций, при этом "0" и "1" модулируют противоположными биортогональными вейвлет-функциями.
Однако использование вейвлет-функций для повышения помехоустойчивости имеет недостаток в виде ограничения на ширину частотного диапазона формируемого сигнала, что обусловлено фиксированной длительностью биортогональной вейвлет-функций и не позволяет дополнительно расширить спектр сигнала и обеспечить потенциальную помехоустойчивость. Недостатком данного способа является также использование неоптимальных с точки зрения энергетической эффективности вейвлет-функций из-за больших флуктуаций их амплитуды.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа, обеспечивающего повышение помехоустойчивости сигнала в системах связи за счет расширения занимаемой им полосы частот и, как следствие, увеличение энергетической эффективности систем связи.
Технический результат заключается в увеличении ширины полосы частот и, как следствие, повышение помехоустойчивости сигнала в 2 раза, по сравнению с сигналом, сформированным с использованием биортогональной вейвлет-функции.
Поставленная задача достигается тем, что формирование сигналов с высокой помехоустойчивостью реализуется с использованием сигнального вектора, представляющего собой собственный вектор матрицы.
Для этого, в известный способ формирования помехоустойчивых сигналов, включающий расширение спектра сигнала методом псевдослучайной последовательности, вносят следующие новые признаки:
- производят замену элементов последовательности передаваемых данных со значением 0 на элементы, имеющие значение -1;
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow>
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><msub><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mn>2</mn></msub><mo>,</mo><mo>…</mo><mo>,</mo><msub><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mi>J</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
a
i,j
- для модуляции сформированной псевдослучайной последовательности длительностью N*τ, где τ может принимать значение от 1*10-6 до 100*10-6 сек, используют сигнальный вектор
собственное число которого λ≈1, при этом осуществляют выборку указанного сигнального вектора из набора собственных функций
матрицы вида A={}, i,j=1, …, L с элементами вида:
где индексы i,j=0, 1, …, L; k=0, 1, …, L; ν - коэффициент, определяющий ширину канала связи формируемого сигнала, равный π/6; L - размерность матрицы, т.е. количество отсчетов в сигнальном векторе от 64 до 1024;
- формируют передаваемый сигнал согласно следующему выражению:
z
k
d,
x=e·q
z
k
<mover accent="true"><mi>x</mi><mo>→</mo></mover>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>e</mi><mo>→</mo></mover><mi>N</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow>
где x - элемент сформированного помехоустойчивого сигнала
; z - порядковый номер элемента сформированного сигнала z=0, 1, 2, … (N·L-1); k - порядковый номер элемента последовательности, рассчитывается как k=[z/L]+1; e - элемент результирующей передаваемой последовательности
; d - порядковый номер элемента вектора
, рассчитывается как d=z-(k-1)L+1.
Критериям «новизна» и «изобретательский уровень» предложенный способ соответствует благодаря наличию следующих признаков:
- замена элементов последовательности передаваемых данных со значением 0 на элементы имеющие значение -1;
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><msub><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mn>2</mn></msub><mo>,</mo><mo>…</mo><mo>,</mo><msub><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mi>J</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow>
a
i,j
- вычисление собственных векторов
матрицы А, где
- собственный вектор матрицы вида A={}, i,j=1, …, L с элементами вида:
;
где индексы i,j=0, 1, …, L; k=0, 1, …, L; v - коэффициент, определяющий ширину канала связи формируемого сигнала, равный п/6; L - размерность матрицы, т.е. количество отсчетов в сигнальном векторе от 64 до 1024;
N
- выборка сигнального вектора согласно критерию максимального собственного числа λ≈1;
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><msub><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mn>2</mn></msub><mo>,</mo><mo>…</mo><mo>,</mo><msub><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mi>L</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
-6
-6
- использование вышеуказанного сигнального вектора
для модуляции сформированной псевдослучайной последовательности длительностью N*τ, где τ может принимать значение от 1*10 до 100*10 сек;
z
k
d
- формирование передаваемого сигнала согласно следующему выражению: x=e·q;
z
k
<mover accent="true"><mi>x</mi><mo>→</mo></mover>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>e</mi><mo>→</mo></mover><mi>N</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow>
где x - элемент сформированного помехоустойчивого сигнала
; z - порядковый номер элемента сформированного сигнала z=0, 1, 2, … (N·L-1); k - порядковый номер элемента последовательности, рассчитывается как k=[z/L]+1; e - элемент результирующей передаваемой последовательности
; d - порядковый номер элемента вектора
, рассчитывается как d=z-(k-1)L+1.
Перечисленные признаки в совокупности позволяют получить заявленный технический результат и из уровня техники не известны, так же, как и влияние наличия этих признаков на увеличение помехоустойчивости и повышение энергетической эффективности систем связи за счет существенного расширения спектра сигнала в частотной области.
Сущность изобретений поясняется изображениями, представленными на фигурах:
Фиг. 1 - вид сигнала, модулированный биортогональными вейвлет-функциями во временной области по прототипу;
Фиг. 2 - частотный спектр сигнала, модулированный биортогональными вейвлет-функциями по прототипу;
Фиг. 3 - вид сигнального вектора во временной области;
Фиг. 4 - вид передаваемого сигнала, сформированного на основе сигнального вектора во временной области;
Фиг. 5 - частотный спектр передаваемого сигнала, сформированного на основе сигнального вектора;
Фиг. 6 - таблица, в которой представлены значения ширины полосы частот в МГц, которую занимает сформированный сигнал при различных параметрах N, L и τ.
Способ осуществляют следующим образом:
k
-6
-6
-6
-6
1. Формируют с помощью линейного сдвигающего регистра, состоящего из k триггеров, кодовую бинарную последовательность, состоящую из N элементов, длительностью N*τ, где τ - длительность одного элемента (бита), принимающих значение 0 или 1, N=2-1. Сформированную кодовую последовательность записывают в регистр памяти №1. Параметр τ принимает значение от 1*10 до 100*10 сек. В случае, когда τ принимает значение меньше 1*10 сек, возникает необходимость в высокой частоте дискретизации сигнала, что приводит к снижению стабильности работы системы в целом и ее удорожанию. В случае, когда τ принимает значение больше 100*10 сек, скорость передачи информации становится недостаточной для использования таких систем.
2. Последовательность информационных бит поэлементно поступает на сумматор из регистра памяти №2, при этом длительность одного элемента информационной последовательности совпадает с длительностью всей кодовой последовательности и составляет N*τ.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>e</mi><mo>→</mo></mover><mi>N</mi></msub></mrow>
3. Полученные кодовую последовательность и элемент информационной последовательности складывают в сумматоре друг с другом по модулю 2, получая тем самым результирующую передаваемую последовательность элементов
, которую записывают в регистр памяти №3.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>e</mi><mo>→</mo></mover><mi>N</mi></msub></mrow>
4. В результирующей последовательности передаваемых элементов
производят замену элементов со значением 0 на элементы со значением -1.
5. С помощью сигнального процессора формируют и записывают в регистр памяти №4 матрицу А, элементы которой рассчитывают следующим образом:
где индексы i,j=0, 1, …, L; k=0, 1, …, L; ν - коэффициент, определяющий ширину канала связи формируемого сигнала, равен π/6; L - размерность матрицы, т.е. количество отсчетов в сигнальном векторе от 64 до 1024.
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><msub><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mn>2</mn></msub><mo>,</mo><mo>…</mo><mo>,</mo><msub><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mi>J</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow>
6. Выполняют с помощью сигнального процессора вычисление собственных векторов матрицы А, получая тем самым набор векторов
, где
- собственный вектор матрицы А.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow>
N
7. В сигнальном процессоре осуществляют выборку сигнального вектора
согласно критерию максимального собственного числа λ≈1. В случае, если количество вычисленных собственных векторов, удовлетворяющих условию λ≈1, больше чем 1, то выбирают один любой из всего набора векторов Q.
k
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>e</mi><mo>→</mo></mover><mi>N</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow>
8. В умножителе последовательно умножают каждый элемент e результирующей последовательности
на выбранный сигнальный вектор
, формируя тем самым передаваемый сигнал согласно следующему выражению:
z
k
d,
x=e·q
z
k
<mover accent="true"><mi>x</mi><mo>→</mo></mover>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>e</mi><mo>→</mo></mover><mi>N</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow>
где x - элемент сформированного помехоустойчивого сигнала
; z - порядковый номер элемента сформированного сигнала, z=0, 1, 2, … (N·L-1); k - порядковый номер элемента последовательности, рассчитывается как k=[z/L]+1; e - элемент результирующей передаваемой последовательности
; d - порядковый номер элемента вектора
, рассчитывается как d=z-(k-1)L+1;
z
9. Умножают полученный сигнал x на несущую частоту и передают в канал связи.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>→</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow>
Совокупность вышеперечисленных признаков позволяет формировать сигналы при передаче цифровой информации с высокой помехоустойчивостью за счет использования в качестве модулирующего сигнала сигнального вектора
матрицы А со значением собственного числа λ≈1, что позволяет существенно расширить диапазон занимаемых передаваемым сигналом частот и подтверждается энергетическим спектром, представленным на фиг. 5.
Вид сигнального вектора во временной области представлен на фиг. 3. Сигнал, модулированный по предложенному способу, представлен на фиг. 4, и сравнение его с сигналом, модулированным способом по прототипу на фиг. 1, демонстрирует, что флуктуации его амплитуды значительно меньше, чем у прототипа, следовательно, выше энергетическая эффективность.
Анализ полученных спектров на фиг. 2 и фиг. 5 показал увеличение ширины полосы сигнала, сформированного с использованием сигнальных векторов, в 2 раза по сравнению с шириной полосы сигнала, модулированного биортогональной вейвлет-функцией, что приводит к увеличению в 2 раза помехоустойчивости полученного сигнала, т.к. увеличение помехоустойчивости полученного сигнала пропорционально увеличению ширины полосы, занимаемой сигналом (ΔF), согласно выражению:
с
с
ш
ош
где ΔF - ширина спектра сигнала; Т - длительность сигнала; Р - мощность сигнала в полосе ΔF; Р - мощность шума в полосе частот ΔF; р - вероятность ошибочного приема; Ф(h) - функция Крампа [Зюко А.Г., Кловский Д.Д., Назаров М.В. Теория передачи сигналов [Текст]. М.: Радио и связь, 1986. - 304 с.].
Примеры значений ширины полосы частот в МГц, которую занимает сформированный сигнал при различных параметрах N, L, и τ, представленные в таблице на фиг. 6 подтверждают стабильность ширины спектра сигнала при заявленных параметрах N, L и τ.
В результате использования предложенного технического решения благодаря применению сигнального вектора матрицы удается формировать широкополосные сигналы, ширина спектра которых в 2 раза превосходит прототип, что позволяет пропорционально увеличить помехоустойчивость и, соответственно, энергетическую эффективность систем радиосвязи без потерь в скорости передачи информации.