СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЗАМЕЩАЮЩЕГО ЛОГИЧЕСКОГО ПОМЕХОУСТОЙЧИВОГО КОДА
METHOD FOR INFORMATION TRANSMISSION USING SUBSTITUTE LOGICAL IMMUNITY CODE

Изобретение относится к системам телекоммуникации и может быть использовано в системах передачи данных по каналам связи. Его использование позволяет повысить достоверность передачи информации без введения структурной избыточности в передаваемые сообщения, обнаруживать возникающие при передаче ошибки, как одиночные, так и кратные, увеличить, при необходимости, скорость передачи информации и обеспечить ее скрытность.
Изобретение относится к новому направлению развития систем передачи данных. Его основу составляет разделение исходного потока данных передаваемой информации на подпотоки и соответствующие им на этапе модуляции ортогональные квадратурные поднесущие частоты. Основной вариант их последующего использования связан с очередным их объединением перед передачей в канал связи с формированием суммарного сигнала с комплексной несущей частотой:
I
Q
где A и A - синфазная и квадратурная составляющие гармонические колебания круговой частоты ω=2πf.
Q
I
При этом выходной сигнал А формируют, как результат суммирования двух смещенных друг относительно друга на 90° гармонических колебаний, имеющих одну и ту же частоту f. Их сумма также представляет собой исходное колебание с несущей частотой радиосигнала, но с фазовым сдвигом на угол, равный ϕ=arc tg (A/A). При приеме такого суммарного сигнала для их обратного разделения на синфазную I и квадратурную Q составляющие используют алгоритмы прямого и обратного быстрого преобразования Фурье.
Эта технология получила название: Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) ([1], Шахнович И.В. «Современные технологии беспроводной связи», М.: Техносфера, 2006. - 288 с, с. 75- 80). Сущностные характеристики предлагаемого изобретения заключаются в использовании трехосновного помехоустойчивого кодирования, которое адаптировано к существующим технологиям OFDM, ориентированным на исходное традиционное двоичное кодирование передаваемой информации.
Известны способы формирования замещающих трехуровневых кодов, которые используют в кабельных линиях связи для выделения на приемной стороне хронирующего колебания, что необходимо для повышения точности символьной синхронизации восстанавливаемого в регенерационных пунктах (РП) потока данных.
2
2
2
0
0
0
0
Среди трехуровневых кодов наиболее распространенным является совместимый биполярный код с высокой плотностью (КВП-n, CHDB-n - в английской интерпретации) ([2], Левин Л.С., Плоткин М.А. «Цифровые системы передачи информации». - М.: Радио и связь, 1982. - 216 с, с. 135-143). В соответствии с алгоритмом формирования кодов КВП-n [1], иллюстрация которого представлена на фиг. 1 последовательность из (n+1) символов «0» двоичного кода <000…000> замещают кодовыми комбинациями <000…00V> и <000…B0V>, где V - импульс, полярность которого повторяет полярность предшествовавшего кодового импульса, а В - напротив, представляет собой импульс в формируемой последовательности, полярность которого противоположна по отношению к полярности предыдущего импульса. На фиг. 1 приведена исходная последовательность бит и иллюстрация, поясняющая основополагающие принципы формирования кода высокой плотности (КВП) (фиг. 1(B)). Из приведенной на фиг. 1(B) иллюстрации следует, что: 1) информационные импульсы со сменой их полярности, используют только при передаче символов «1»; 2) их длительность (τ) уменьшена в два раза по сравнению с продолжительностью (Т) символов «1» и «0» исходного двоичного кода (τ=1/2Т). В случае передачи данных с использованием радиоканалов переход от двоичного кода к известным трехуровневым кодам не является оправданным, поскольку уменьшение длительности импульсов, соответствующих символам «1» и «0» двоичного кода, входит в противоречие с ограничением, накладываемым на их полосу пропускания. В то же время при их использовании в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) такое уменьшение не становится критичным, поскольку там нет таких проблем, которые связаны с необходимостью обеспечения требуемой полосы пропускания.
2
1
0
2
1
0
3
Известны «Способы передачи информации и системы для их осуществления» ([3], патент RU №2475861 с приоритетом от 27.04.2013 г. и [4]), патент RU №2581774 с приоритетом от 30.09.2014 г.) сущностные характеристики которых заключены в переходе при передаче информации от традиционно используемого двоичного кода с символами «1» и «0» к замещающему логическому троичному помехоустойчивому кодированию с символами S, S и S, представленными тремя разрешенными значениями амплитудно-импульсной модуляции (АИМ3), которые дублируются символами Т, Т и Т, представляющими собой три разрешенных значения широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
2
2
1
1
0
0
2
2
2
1
1
0
0
3
В патенте [4], который был награжден дипломом Роспатента в номинации «100 лучших изобретений России - 2016», предлагаемый троичный код с символами S(T), S(T) и S(T) был использован по новому назначению - для повышения информационной нагруженности несущей частоты, излучаемой передатчиком, для чего была использована одновременная (комплексная) модуляция по амплитуде, частоте и фазе. Помимо этого, была обеспечена «сопоставимость результатов демодуляции относительной фазовой модуляции (ОФМ) с основанием два, применяемой по основному каналу связи, и предлагаемой троичной фазовой модуляции с основанием два (ФМ), основу которой составляют логические помехоустойчивые коды с основанием три, представленные символами S(T), S(T) и S(T)» (п. 4 формулы изобретения). Однако для реализации такой возможности требуется наличие дополнительного (дублирующего) канала передачи информации, что не всегда может быть обеспечено в разнообразных практических приложениях. Суть предлагаемого логического помехоустойчивого кодирования сформированных сообщений замещающим троичным кодом заключается в следующем [3] и [4].
i0
1
in
i0
i1
im
Основу способов-аналогов [3] и [4] составляют формулы преобразования Г, связанные с заменой последовательности символов a , a , …, a  двоичного алфавита А={0,1} последовательностями символов d , d , …, d  алфавита D={00, 11, 10, 001, 101} на основе следующих логических схем кодирования:
0
1
2
0
1
2
3
0
1
0
2
0
0
3
3
3
3
2
2
Предлагаемое кодирование устанавливает логическое соответствие между двоичными символами, представленными в скобках, и их троичными эквивалентами S, S и S. В результате технической реализации, предлагаемой в патентах [3] и [4], троичные символы S, S и S на этапе первичной (импульсной) модуляции преобразуют в сигналы с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ). При этом временные интервалы между ними также имеют соответствующие три значения длительности Т, T=1,5Т и Т=2Т, где Т - длительность символов «1» и «0» исходного двоичного кода, используемого для первоначального представления передаваемой информации. Эти три значения длительности представляют, в свою очередь, сигналами с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Далее на этапе вторичной модуляции сигналы, представленные в виде АИМ, преобразуют в частотную модуляцию (ЧМ), а временные моменты смены импульсов ШИМ представляют сменой фаз несущей частоты на 0° и 180°, что соответствует простейшему виду фазовой манипуляции на два состояния (ФМ) или относительной фазовой модуляции (ОФМ).
2
2
Алгоритм перевода последовательности двоичных символов «1» и «0» в предлагаемый прямой троичный код заключается в следующем. Пусть необходимо перевести в новое алфавитное кодирование следующую последовательность двоичных символов <10101000111100101> с числом символов равным: N=17. С этой целью используют условные верхние и нижние разбиения ( и ):
2
2
1
0
1
0
0
0
1
1
2
3
Разбиения  и  представлены для упрощения понимания основных логических правил перехода от двоичного кода к предлагаемому прямому троичному кодированию. С этой целью процесс перекодирования изображен различными цветами. В результате их объединения ( U ) получают следующую последовательность символов прямого троичного кода: S S S S S S S S S S S с числом символов N=11.
Из приведенной иллюстрации следуют следующие выводы:
ij
ij+1
1) новый троичный код является реккурентным экономным помехоустойчивым кодом, у которого последний двоичный символ «1» или «0» расшифровки предыдущего троичного символа S, где i - основание кода (i=0,1,2), является первым при расшифровке последующего троичного символа S;
3
2
2) его экономичность (k) определяется тем, что число троичных символов, необходимых для передачи того же объема информации, меньше, в среднем, в k = log3 = 1,6 раз (для приведенного примера k =17/11 = 1,54).
i
3
i
3
Техническая реализация, представленная в патентах [3] и [4], позволяет достаточно просто реализовать процесс перекодирования. Кроме того, при этом появляется возможность представления данных на уровне первичной импульсной модуляции дублирующими друг друга троичными символами S с использованием АИМ и символами T, которые преобразуют в широтно-импульсную модуляцию ШИМ.
0
0
1
1
2
2
В предлагаемом изобретении соответствие (1) дополнено инверсным вариантом его формирования, когда сигналам S*(Т), S*(T*) и S*(Т*) приведены в соответствие следующие инверсные двоичные кодовые конструкции:
2
где ломаными скобками <010> обозначена двоичная система счисления (фиг. 2).
1
i
Из него следует, что перекодирование из двоичного кода в предлагаемый троичный код реализуют по тем же рассмотренным ранее логическим правилам. Отличие проявляется только в присвоении троичным символам S*(T*) инверсных кодовых двоичных конструкций, появляющихся в потоке кодируемой последовательности бит.
Таким образом, в предлагаемом изобретении сущностные характеристики заключаются в следующем:
1) в дополнительном использовании, помимо кодирования с использованием замещающего прямого логического помехоустойчивого троичного кода, его инверсного аналога, процесс кодирования и декодирования которого определен соответствием (2);
2) в использовании троичного кода для модернизации существующих способов квадратурной модуляции несущей частоты радиосигнала.
Наиболее близким аналогом к заявляемому способу является патент-прототип ([5], «Способ передачи информации с использованием замещающего логического троичного помехоустойчивого кода», заявка №2020115929/28(026103) с приоритетом от 20.04.2020 г., решение о выдаче патента от 09.10.2020 г.).
0
0
1
1
2
2
0
0
1
1
2
2
0
1
2
0
1
0
2
0
0
3
0
0
0
0
0
0
3
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
2
0
2
0
2
0
0
0
Он заключается в сборе сигналов от источников сообщений, синхронизации их по времени, формировании уплотненного цифрового группового сигнала из синхронизированных собранных сигналов, формировании сигнала несущей частоты, модуляции сигнала несущей частоты уплотненным цифровым групповым сигналом на основе сформированного видеокода и в последующей передаче промодулированного сигнала по каналу связи, отличающийся тем, что на передающей стороне цифровые сообщения источников информации, представленные N - разрядным позиционным двоичным кодом подвергают структурно-алгоритмическим преобразованиям, осуществляемым в следующей последовательности: вначале дополнительное экономное кодирование, использующее для повышения помехоустойчивости естественную избыточность передаваемой информации, за которым следует рандомизатор символов двоичного кода, назначение которого состоит в выравнивании вероятностей появления символов «1» и «0» на его выходе для приближения к значению, равному 0,5, после чего формируют уплотненный цифровой групповой сигнал и кодируют его помехоустойчивым кодом с введением избыточных проверочных символов, полученные результаты преобразований цифрового группового сигнала, представленные двоичным кодом с символами «1» и «0», преобразуют в замещающий логический помехоустойчивый код с символами «S» и «Т», «S» и «T» «S» и «Т», при этом двоичным комбинациям («00» и «11») исходной последовательности двоичных символов ставят в соответствие одновременно формируемые символы троичного кода «S» и «Т», кодовые комбинации исходного двоичного кода группового сигнала («001» и «10») заменяют на формируемые символы троичного кода «S» и «T», а оставшимся в исходной последовательности двоичного кода группового сигнала кодовым комбинациям вида «101» одновременно ставят в однозначное соответствие символы троичного кода «S» и «Т», после чего первую модулирующую составляющую преобразованного первого трехосновного видеосигнала, содержащую символы «S», «S» и «S», представляют в виде амплитудно-импульсной модуляции, а вторую модулирующую составляющую видеосигнала с символами трехосновного кода «Т», «T=1,5Т» и «Т=2Т», где Т - продолжительность одного символа исходного двоичного кода «1» и «0», используют для биполярной широтно-импульсной модуляции (ШИМ), представляющей собой второй видеосигнал, импульсы которого с тремя разрешенными значениями: Т, 1,5Т и 2Т принимают значения амплитуд и затем их суммируют с сигналами тактовой синхронизации, представляющими собой биполярный меандр с периодом его повторения Т и длительностью каждого из импульсов Т/2 и значениями амплитуд и в результате чего получают замещающий трехосновный код, представленный последовательностью символов «+2», «0» и «-2», каждый из которых имеет длительность биполярных импульсов, равную Т/2, в результате чего в новой логической последовательности сохраняют представление об исходной биполярной широтно-импульсной модуляции (ШИМ), но на основе символов одной и той же длительности Т/2, вместо Т, 1,5Т и 2Т, после чего сформированную логическую последовательность трехосновных символов «+2», «0» и «-2» разделяют на синфазные и квадратурные подпотоки, первый из них представляют нечетными по счету символами, а второй - четными счетными символами троичного кода, затем длительность каждого из символов в подпотоках при последующей квадратурной модуляции несущей расширяют в два раза, при этом в синфазном и квадратурном подпотоках передаваемых данных изменение полярности расширенных импульсов представляют манипулированием фазы несущей частоты на 0° и 180°, соответствующей закону косинуса для синфазной составляющей, и изменением фазы несущей частоты на 0° и 180°, соответствующей закону синуса для квадратурной составляющей, на приемной стороне каждый из принятых расширенных вдвое в результате квадратурной модуляции символов двоичного кода, принадлежащих синфазному и квадратурному потокам символов троичного кода, воспринимаемых как обычные импульсные символы одной и той же длительности, приводят к их исходному предмодулированному виду с использованием логического элемента «Запрет», для чего на его запрещающий вход подают сигналы меандра с периодом Т и длительностью каждого из импульсов Т/2, используемые при этом меандровые сигналы являются инвертированными для синфазного подпотока и прямой копией для квадратурной составляющей, после чего полученные сигналы суммируют, и в результате этого восстанавливают логическую последовательность трехосновных символов «+2», «0» и «-2» в том виде, в котором она была сформирована на передающей стороне, которую затем суммируют с инвертированной копией меандрового сигнала с периодом Т0 и длительностью каждого из импульсов Т/2 для последующего перехода к широтно-модулированным импульсам трехосновного логического помехоустойчивого кода с символами «Т», «1,5Т» и «2Т», осуществляют контроль достоверности приема на основе критерия четности символов «1,5Т», заключенных между соседними символами «2Т», при положительном результате контроля целостности и достоверности полученной информации осуществляют декодирование трехосновного кода с символами «Т», «1,5Т» и «2Т» в исходный двоичный код на основе следующих соответствий: «Т» ↔ <11,00>, «1,5Т» ↔ <10,001> и «2Т» ↔ <101> и установленного правила рекуррентной взаимосвязи, при которой последний двоичный символ «1» или «0» предыдущей расшифровки троичного кода становится первым символом «1» или «0» расшифровки последующего символа троичного кода «Т», «1,5Т» и «2Т», при восстановлении эти повторяющиеся символы объединяют, в результате чего восстанавливают исходную последовательность бит передаваемой информации.
i
i
i
0
1
0
2
0
3
3
0
0
В способе [5] рассмотрен один из возможных вариантов использования прямого троичного кода для модернизации существующих способов квадратурной модуляции несущей частоты радиосигнала. Процесс его формирования отображен на фиг. 3(A) и фиг. 3(Б). На фиг. 3(A) представлен исходный двоичный код, представляющий собой последовательность из 23 бит (a), а на фиг. 3(Б) результаты его замещения прямым логическим помехоустойчивым троичным кодом с использованием 17 символов S, i=0, 1, 2. На фиг. 3(B) первые 7 символов S, i=0, 1, 2 отображены соответствующими им дублирующими символами Т, T=1,5Т и Т=2Т, представленными в виде импульсов ШИМ. Сущностные характеристики патента [5] заключаются в применении к сформированным на передающей стороне сигналам ШИМ (фиг. 3(В)) и принятым их копиям при приеме операций сложения и вычитания с биполярным меандром со значениями амплитуд (+1) и (-1) (фиг. 3(Г)). В результате этого на передающей стороне формируют трехосновный код с длительностью импульсов, равной длительности Т символов «1» и «0» исходного двоичного кода, и со значениями амплитуд: «+2», «0» и «-2) (фиг. 3(Д)). Затем сформированный трехуровный код разделяют по уровню, соответствующему значению «0», на синфазную (I) и квадратурную (Q) составляющие (фиг. 3(Е)) и (фиг. 3(Ж)), соответственно. Благодаря тому, что длительность импульсов (фиг. 3(Д, Е и Ж)) оказалась одной и той же и равной Т появляется возможность использования алгоритмов прямого и обратного быстрого преобразования Фурье при приеме для разделения суммарного сигнала, получаемого при квадратурной модуляции, на исходные составляющие: синфазную (I) и квадратурную (Q).
0
0
1
0
2
0
0
1
0
2
0
0
0
1
0
2
В предлагаемом изобретении использован дополнительный вариант реализации патента-прототипа [2], когда те же операции параллельно выполняют и по отношению к символам инверсного троичного кода Т*=Т, T*=1,5Т и Т*=2Т. Он предполагает использование расшифровок, правило для которых определяется на основе соответствия (2). Они также представлены на фиг. 4 в таком же порядке, как и на фиг. 3. В результате их объединения появляется значительная избыточность передаваемых символов прямого Т, T=1,5Т и Т=2Т и инверсного Т*=Т, T*=1,5Т и Т*=2Т замещающих троичных символов, что следует из сравнения эпюр, приведенных на фиг. 3(Е, Ж) и фиг. 4(Е, Ж).
2
3
2
3
2
3
Так, при использовании простейшего помехоустойчивого кода с повторением передаваемых символов двоичного кода, дублирующих друг друга, потребуется увеличение их количества в 2 раза. Для приведенного на фиг. 3 и фиг. 4 примера их число станет равным: k = 23 × 2 = 46. Если же использовать предлагаемый троичный код - прямой и инверсный, дублирующих друг друга , то количество передаваемых символов увеличится при аналогичных условиях модуляции ШИМ-ФМ до значения k = 17 × 2 = 34. Отношение k/k равно: 1,35, следовательно, введенная избыточность составит 35%, вместо 100% при использовании помехоустойчивого кода с повторением передаваемых символов двоичного кода. При этом появятся следующие дополнительные возможности, которых нет у ближайшего аналога - помехоустойчивого кода с повторением передаваемых символов двоичного кода:
1) уменьшения искажений в реализации сигнал + помеха за счет подстановки при приеме неискаженного меандрового сигнала, формируемого на приемной стороне на основе восстановленных сигналов синхронизации (фиг. 5);
2) обнаружения и исправления ошибок на уровне восстановленной при приеме реализации сигнал + помеха (фиг. 5);
0
0
3) обнаружения и исправления ошибок за счет того, что символы Т ↔ (00,11) прямого кода и символы Т* ↔ (11,00) инверсного троичного кодирования будут появляться на тех же местах, как при кодировании, так и при декодировании переданной информации.
2
1
2
1
Кроме того, появляется еще одно дополнительное правило контроля достоверности и целостности информации на символьном уровне. Оно заключается в том, что в принятом потоке между соседними символами Т ↔ (101) должно быть только четное число символов Т ↔ (10,001) при использовании прямого троичного кода, что использовано в патенте-прототипе [5]. Но такое же правило контроля достоверности и целостности информации на символьном уровне выполняется и при использовании инверсного троичного кода: в принятом потоке между соседними символами Т* ↔ (010) должно быть только четное число символов Т* ↔ (01,100). В результате этого контроль достоверности и целостности информации станет перекрестным и, вследствие этого, более полным, благодаря чему появится новая возможность не только обнаружения, но и исправления ошибок передачи данных.
р
i
3
1
0
0
кв
Далее для исключения демаскирующих признаков присутствия троичного кода при квадратурной модуляции сформированный трехуровный инверсный код также разделяют по уровню, соответствующему значению «0», на синфазную (I) и квадратурную (Q) составляющие (фиг. 4(Е)) и (фиг. 4(Ж)), соответственно. Появляющийся при этом резерв времени в каждом из сформированных подпотоков используют, как это предусмотрено и в классической теории квадратурной модуляции для расширения по длительности сформированных импульсов троичного кода (фиг. 4(Д)): они становятся равными Т=2T, i=0, 1, 2, как это показано на фиг. 5(В) для случая использования прямого троичного кодирования. В результате этого демаскирующий признак предлагаемого троичного кода, заключающийся в длительности ШИМ, равной T=1,5Т, при приеме исчезает, поскольку эта длительность после расширения вдвое длительности становится, равной целому числу Т, равному 3.
н
в
н
0
в
0
0
Получаемые при этом два варианта логического помехоустойчивого кодирования с использованием прямого и инверсного троичного замещающего кодирования передают с использованием выделенных несущих частот f и f, либо на поднесущих частотах: f=f - Δf и f=f+Δf, где f - несущая частота радиосигнала.
0
0
1
0
2
0
0
0
0
1
0
2
0
При приеме обратная операция восстановления переданных символов инверсного троичного кода Т*=Т, Т*=1,5Т, Т*=2Т, где Т - временная продолжительность символов «1» и «0» исходного двоичного кода, не имеет отличий от тех же операций, которые производят и при восстановлении прямого троичного кода. Отличие заключается только в присвоении восстановленным символами инверсного троичного кода Т*=Т, T*=l,5T, Т*=2Т инверсных кодовых комбинаций исходного двоичного кода, которые по условию кодирования поставлены им в соответствие (2).
В итоге, будет повышена помехозащищенность передаваемых сигналов, помимо обнаружения и исправления ошибок передачи данных, по такому субпоказателю, как скрытность передаваемой информации. Другая составляющая этого технического эффекта, как это было отмечено ранее, связана с тем, что помехоустойчивость восстанавливаемого на приемной стороне меандра будет по сравнению с принимаемым сигналом существенного выше, поскольку его формируют на основе приема сигналов синхронизации, к аналогичному показателю которого в соответствии с теорией связи предъявляются более высокие требования.
2
3
i
0
0
0
0
0
Основной недостаток замены первичной кодово-импульсной модуляции двоичного кода (КИМ) на ШИМ при использовании предлагаемого трехосновного кода заключается в различной длительности троичный символов T, i=0, 1, 2: Т, 1,5Т и 2Т вместо исходного значения Т также будет исключен. Это также необходимо для обеспечения преемственности с существующими способами передачи информации, включающими в себя операции, которые ориентированы только на двоичные символы, имеющие одну и ту же продолжительность во времени Т. К их числу, например, относятся: операции быстрого преобразования Фурье (БПФ) и существующие технологии использования псевдослучайно прыгающих радиочастот (ППРЧ), составляющих основу расширения спектра частот радиосигнала и обеспечения на этой основе скрытности и защищенности передаваемой информации.
В результате проведенного анализа появляется возможность формирования следующей уточненной формулы изобретения.
0
0
1
1
2
2
0
0
1
1
2
2
0
1
2
0
1
0
2
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
2
0
2
0
2
0
0
0
i
i
0
0
1
1
2
2
i
i
i
i
0
0
1
0
2
0
i
0
0
1. Способ передачи информации с использованием замещающего логического троичного помехоустойчивого кода, заключающийся в сборе сигналов от источников сообщений, синхронизации их по времени, формировании уплотненного цифрового группового сигнала из синхронизированных собранных сигналов, формировании сигнала несущей частоты, модуляции сигнала несущей частоты уплотненным цифровым групповым сигналом на основе сформированного видеокода и в последующей передаче промодулированного сигнала по каналу связи, при котором на передающей стороне цифровые сообщения источников информации, представленные N- разрядным позиционным двоичным кодом подвергают структурно-алгоритмическим преобразованиям, осуществляемым в следующей последовательности: вначале дополнительное экономное кодирование, использующее для повышения помехоустойчивости естественную избыточность передаваемой информации, за которым следует рандомизатор символов двоичного кода, назначение которого состоит в выравнивании вероятностей появления символов «1» и «0» на его выходе для приближения к значению, равному 0,5, после чего формируют уплотненный цифровой групповой сигнал и кодируют его помехоустойчивым кодом с введением избыточных проверочных символов, полученные результаты преобразований цифрового группового сигнала, представленные двоичным кодом с символами «1» и «0», преобразуют в замещающий логический помехоустойчивый код с символами S» и «Т», «S» и «T» «S» и «Т», при этом двоичным комбинациям («00» и «11») исходной последовательности двоичных символов ставят в соответствие одновременно формируемые символы троичного кода «S» и «Т», кодовые комбинации исходного двоичного кода группового сигнала («001» и «10») заменяют на формируемые символы троичного кода «S» и «T», а оставшимся в исходной последовательности двоичного кода группового сигнала кодовым комбинациям вида «101» одновременно ставят в однозначное соответствие символы троичного кода «S» и «Т», после чего первую модулирующую составляющую преобразованного первого трехосновного видеосигнала, содержащую символы «S», «S» и «S», представляют в виде амплитудно-импульсной модуляции, а вторую модулирующую составляющую видеосигнала с символами трехосновного кода «Т», «T=1,5Т» и «Т=2Т», где Т - продолжительность одного символа исходного двоичного кода «1» и «0», используют для биполярной широтно-импульсной модуляции, имеющей соответствующие длительности импульсов, представляющей собой второй видеосигнал, импульсы которого с тремя разрешенными значениями: Т, 1,5Т и 2Т принимают значения амплитуд «+1» и «-1», затем их суммируют с сигналами тактовой синхронизации, представляющими собой биполярный меандр с периодом его повторения Т0 и длительностью каждого из импульсов Т/2 и значениями амплитуд «+1» и «-1», в результате чего получают замещающий трехосновный код, представленный последовательностью символов «+2», «0» и «-2», каждый из которых имеет длительность биполярных импульсов, равную Т/2, в результате чего в новой логической последовательности сохраняют представление об исходной биполярной широтно-импульсной модуляции с тремя разрешенными состояниями длительности Т, 1,5Т и 2Т, но на основе символов одной и той же длительности Т/2, вместо исходных трех ее значений: Т, 1,5Т и 2Т, после чего сформированную логическую последовательность трехосновных символов «+2», «0» и «-2» разделяют на синфазные и квадратурные подпотоки, первый из них представляют нечетными по счету символами, а второй - четными счетными символами троичного кода, затем длительность каждого из символов в подпотоках при последующей квадратурной модуляции несущей расширяют в два раза, при этом в синфазном и квадратурном подпотоках передаваемых данных изменение полярности расширенных импульсов представляют манипулированием фазы несущей частоты на 0° и 180°, соответствующей закону косинуса для синфазной составляющей, и изменением фазы несущей частоты на 0° и 180°, соответствующей закону синуса для квадратурной составляющей, на приемной стороне каждый из принятых расширенных вдвое в результате квадратурной модуляции символов двоичного кода, принадлежащих синфазному и квадратурному потокам символов троичного кода, воспринимаемых как обычные импульсные символы одной и той же длительности, приводят к их исходному предмодулированному виду с использованием логического элемента «Запрет», для чего на его запрещающий вход подают сигналы меандра с периодом Т и длительностью каждого из импульсов Т/2, используемые при этом меандровые сигналы являются инвертированными для синфазного подпотока и прямой копией для квадратурной составляющей, после чего полученные сигналы суммируют, и в результате этого восстанавливают логическую последовательность трехосновных символов «+2», «0» и «-2» в том виде, в котором она была сформирована на передающей стороне, которую затем суммируют с инвертированной копией меандрового сигнала с периодом Т и длительностью каждого из импульсов Т/2 для последующего перехода к широтно-модулированным импульсам трехосновного логического помехоустойчивого кода с символами «Т», «1,5Т» и «2Т», осуществляют контроль достоверности приема на основе критерия четности символов «1,5Т», заключенных между соседними символами «2Т», при положительном результате контроля целостности и достоверности полученной информации осуществляют обратное преобразование трехосновного кода с символами «Т», «1,5Т» и «2Т» в исходный двоичный код на основе следующих соответствий: «Т» ↔ <11,00>, «1,5Т» ↔ <10,001> и «2Т» ↔ <101>, установленного правила рекуррентной взаимосвязи, при которой последний двоичный символ «1» или «0» предыдущей расшифровки троичного кода становится первым символом «1» или «0» расшифровки последующего символа троичного кода «Т», «1,5Т» и «2Т», при восстановлении эти повторяющиеся символы объединяют, в результате чего восстанавливают исходную последовательность бит передаваемой информации, отличающийся тем, что одновременно на передающей стороне формируют в соответствии с теми же логическими правилами подобный, но инверсный троичный сжатый помехоустойчивый код с дублирующими символами S*(T*), i=0, 1, 2, у которого при расшифровке используют те же двоичные кодовые конструкции, но с инверсным обозначением символов двоичного кода, когда символам S*(T*) ставят в соответствие комбинации двоичного кода («11» и «00») исходной последовательности двоичных символов, символам S*(T*) соответствуют в исходной последовательности двоичного кода комбинации («01» и «110»), а символам S*(T*) соответствен кодовая конструкция «010» исходной последовательности двоичного кода информации, подлежащей передаче, на этапе первичной модуляции осуществляют операции аналогичные тем, которые реализуют по отношению к последовательности прямого троичного кода с дублирующими символами S(T), i=0, 1, 2, в результате чего символы инверсного троичного кода S*, i=0, 1, 2 преобразуют в амплитудно-импульсную модуляцию с тремя разрешенными состояниями, соответствующими индексам i=0, 1, 2, а соответствующие им дублирующие символы инверсного троичного кода T*, i=0, 1, 2, преобразуют в широтно-импульсную биполярную модуляцию со значениями амплитуд сигналов «+1» и «-1», принимающими следующие три разрешенных длительности импульсов: Т*=Т, Т*=1,5Т, Т*=2Т, которые также как и аналогичные символы прямого троичного кода T, i=0, 1, 2, подвергают таким же дополнительным операциям: меандровой импульсной модуляции на основе суммирования с такими же сигналами тактовой синхронизации, представляющими собой биполярный меандр с периодом повторения Т и длительностью каждого из импульсов Т/2 и значениями амплитуд и с получением на выходе замещающего инверсного трехосновного кода, представленного последовательностью трехуровневых символов «+2», «0» и «-2», которые разделяют по уровню соответствующему значению «0» сформированного трехуровневого импульсного сигнала, в результате чего получают синфазную и квадратурную составляющие, длительность которых расширяют в два раза, при этом моменты начала и окончания импульсов на этапе вторичной модуляции представляют изменением значений фазы 0° и 180° поднесущих частот, соответствующих синфазным и квадратурным субпотокам, суммируют с образованием комплексного потока данных, который передают по соответствующему радиоканалу.
В качестве дополнительного пояснения сущности предлагаемого изобретения необходимо отметить следующее.
Синфазная составляющая I(t) в соответствии с принципами квадратурной модуляции несущей частоты радиосигнала [6], представляется косинусоидальным законом изменения его значений, а квадратурная составляющая Q(t) оказывается сдвинутой по фазе на π/2=90° и соответствуют синусоидальному закону изменения несущей радиочастоты. Каждая из импульсных составляющих управляет законом изменения фазы 0° и 180° несущей радиочастоты, но из-за их сдвига относительно друг друга на π/2=90°, получается, что каждое их модуляционное состояние отличается на π/4=45°, что продемонстрировано на иллюстрации, приведенной на фиг. 6 и фиг. 7.
i
i
0
1
0
2
0
0
0
1
0
2
0
Трехосновный код с символами T и T*, i=0, 1, 2: Т, T=1,5Т, Т=2Т и Т*=Т, Т*=1,5Т, Т*=2Т, обнаруживают только после использования операций «Запрет», использование которой относится к обратной операции, предназначенной для снятия меандровой модуляции (меандровой демодуляции) (фиг. 5).
Это новое научное направление при синтезе сложных шумоподобных сигналов, структурно-кодовых и сигнально-кодовых конструкций активно развивается в последнее время под названием «меандровые шумоподобные сигналы (ВОС-сигналы)», которые предназначены для повышения эффективности спутниковых радионавигационных систем [7] (М.С.Ярлыков «Меандровые шумоподобные сигналы (ВОС-сигналы)» и их разновидности в спутниковых радионавигационных системам, М.: Радиотехника, 2017. - 416 с).
В данном изобретении, как и в способе-прототипе, меандровые технологии были использованы по новому назначению - для обеспечения комплексной защиты информации при использовании способа экономного помехоустойчивого кодирования данных на основе замещающих логических троичных кодов.
На приемной стороне расширенные в два раза импульсы восстановленной синфазной и квадратурной составляющих троичного кода, отличающиеся от аналогичных эпюр, приведенных для передающей стороны, только влиянием помех. Их амплитуды принимают два значения 1 и 0, в которые преобразованы в изменения фазы радиосигнала 180° и 0°.
Аналогичным образом, восстанавливают расширенные в два раза импульсы квадратурного канала Q(t) троичного кода
0
0
0
0
0
1
0
2
0
3
3
Полученный при этом восстановленный прямой Т, 1,5Т, 2Т и инверсный Т*=Т, T*=1,5Т, Т=2Т троичные коды, отождествляемые с импульсами ШИМ и ШИМ*, подверженными различного рода искажениям при передаче, будут восстановлены с более высоким качеством. Кроме того, переданные образы (или полуфабрикаты в соответствии с пояснением, использованным в [5]) передаваемой символьной последовательности будут восстановлены в первоначальном их виде только при приеме информации. В этом также заключается принципиальное отличие и сущностные характеристики предлагаемого изобретения. Таким образом, передаваемая информация на структурно-кодовом уровне будет дополнительно защищена от помех, несанкционированного доступа (НСД) и информационно-технических воздействий (ИТВ).
Отличительные особенности предлагаемого изобретения также связаны с потребностью объединения различных структурно-алгоритмических преобразований (САП), относящихся к кодированию и модуляции сигналов в единую непротиворечивую информационную систему, составляющую основу синтеза различных проблемно-ориентированных структурно-кодовых (СтКК) и сигнально-кодовых конструкций (СиКК). Новое направление в разработке инновационных технологий заключается в том, чтобы по максимуму использовать возможности дополнительного программирования современной элементной базы, составляющей основу создания телекоммуникационных систем (ТКС). В этом случае их аппаратурная составляющая может остаться прежней, не подвергнутой изменениям, а новые ее возможности обеспечивают путем реализации на основе перепрограммирования ПЛИС, микроконтроллеров и микропроцессоров, входящих в состав ТКС, новых алгоритмов сжатия, рандомизации, дополнительного помехоустойчивого кодирования и модуляции.
0
0
1
1
2
2
0
0
0
0
1
1
2
2
0
1
2
0
0
1
0
2
0
0
3
0
0
1
0
2
0
0
0
0
3
0
0
1
0
2
0
0
0
0
3
0
1
0
2
0
1
0
2
0
0
0
2
1
0
2
2
0
2
0
0
1
0
2
0
2. Способ по п. 1, отличающийся еще и тем, что на передающей стороне полученные результаты преобразований цифрового группового сигнала, представленные двоичным кодом с символами «1» и «0», преобразуют помимо прямой копии в инверсный замещающий логический помехоустойчивый код с символами S* и Т*, S* и T*, S* и Т*, при этом двоичным комбинациям («00» и «11») исходной последовательности двоичных символов ставят в соответствие одновременно формируемые символы S* и Т* инверсного троичного кода и символы S и Т прямого троичного кода, кодовые комбинации исходного двоичного кода группового сигнала («01» и «110») заменяют на формируемые символы инверсного троичного кода S* и T*, а оставшимся в исходной последовательности двоичного кода группового сигнала кодовым комбинациям вида «010» одновременно ставят в однозначное соответствие символам инверсного троичного кода S* и Т*, после чего первую модулирующую составляющую преобразованного первого инверсного трехосновного видеосигнала, содержащую символы S*, S* и S*, представляют в виде амплитудно-импульсной модуляции, а вторую модулирующую составляющую видеосигнала с символами трехосновного кода Т*=Т, T*=1,5Т и Т*=2Т, где Т - продолжительность одного символа исходного двоичного кода «1» и «0», используют для биполярной широтно-импульсной модуляции (ШИМ), представляющей собой второй видеосигнал, импульсы которого с тремя разрешенными значениями: Т*=Т, T*=1,5Т и Т*=2Т принимают значения амплитуд «+1» и «-1», затем их суммируют с сигналами тактовой синхронизации, представляющими собой биполярный меандр с периодом его повторения Т и длительностью каждого из импульсов Т/2 и значениями амплитуд «+1» и «-1», в результате чего получают замещающий инверсный трехосновный код, представленный последовательностью символов «+2», «0» и «-2», каждый из которых имеет длительность биполярных импульсов, равную Т/2, в результате чего в новой логической последовательности инверсный троичного кода сохраняют представление об исходной биполярной широтно-импульсной модуляции (ШИМ), но на основе символов одной и той же длительности Т0/2, вместо Т*=Т, T*=1,5Т и Т*=2Т, после чего сформированную логическую последовательность трехосновных символов «+2», «0» и «-2» разделяют на синфазные и квадратурные подпотоки, первый из них представляют нечетными по счету символами, а второй - четными счетными символами троичного кода, затем длительность каждого символов в подпотоках при последующей квадратурной модуляции несущей расширяют в два раза, при этом в синфазном и квадратурном подпотоках передаваемых данных изменение полярности расширенных импульсов представляют манипулированием фазы несущей частоты на 0° и 180°, соответствующей закону косинуса для синфазной составляющей, и изменением фазы несущей частоты на 0° и 180°, соответствующей закону синуса для квадратурной составляющей, в результате чего сформированный и передаваемый по радиоканалу общий сигнал с квадратурной модуляцией по своему внешнему виду не будет иметь принципиальных отличий от существующих аналогов, использующих в качестве основы двоичный код с символами «1» и «0», на приемной стороне каждый из принятых расширенных вдвое в результате квадратурной модуляции символов двоичного кода, принадлежащих синфазному и квадратурному потокам символов троичного кода, воспринимаемых как обычные импульсные символьные одной и той же длительности, приводят к их исходному предмодулированному виду с использованием логического элемента «Запрет», для чего на его запрещающий вход подают сигналы меандра с периодом Т и длительностью каждого из импульсов Т/2, используемые при этом меандровые сигналы являются инвертированными для синфазного подпотока и прямой копией для квадратурной составляющей, после чего полученные сигналы суммируют, и в результате этого восстанавливают логическую последовательность трехосновных символов «+2», «0» и «-2» в том виде, в котором она была сформирована на передающей стороне, которую затем суммируют с инвертированной копией меандрового сигнала с периодом Т0 и длительностью каждого из импульсов Т/2 для последующего перехода к широтно-модулированным импульсам (ШИМ) инверсного трехосновного логического помехоустойчивого кода с символами Т*, T*=1,5Т и Т*=2Т, осуществляют контроль достоверности приема на основе критерия четности символов T*=1,5Т, заключенных между соседними символами Т*=2Т, при положительном результате контроля целостности и достоверности полученной информации осуществляют декодирование трехосновного кода с символами в исходный двоичный код на основе следующих соответствий: Т*=Т ↔ <00,11>, Т*=1,5Т ↔ <01,110> и Т*=2Т ↔ <010> и установленного правила рекуррентной взаимосвязи, при которой последний двоичный символ «1» или «0» предыдущей расшифровки троичного кода становится первым символом «1» или «0» расшифровки последующего символа троичного кода Т*=Т, T*=1,5Т и Т*=2Т, при восстановлении эти повторяющиеся символы объединяют, в результате чего восстанавливают исходную последовательность бит передаваемой информации.
В результате такого дополнения получают возможность проведения расширенного контроля достоверности и целостности получаемой информации.
1
1
2
s
2
2
2
i
i
i
i
1
1
2
s
2
2
2
0
0
2
0
0
2
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обеспечивают двойной контроль достоверности и целостности принимаемой информации на символьном уровне, заключающийся в том, что помимо основного правила, определяемого наличие четного числа символов S(T) ↔ <10,.001> на временном интервале Δt между принятыми соседними символами S(Т) ↔ <101> при использовании прямого логического троичного кода с символами S(T), i=0, 1, 2, используют такое же правило и по отношению к сформированному инверсному логическому троичному коду с символами S*(T*), i=0,1,2, предполагающему наличие четного числа символов S*(T*) ↔ <01,110> на соответствующем временном интервале Δt между принятыми соседними символами S(T) ↔ <010>, в результате чего контроль достоверности и целостности получаемой информации становится перекрестным, взаимодополняющим, при этом также применяют второе правило достоверности и целостности получаемой информации на символьном уровне, которое заключается в обнаружении повторяемости символов S(T) ↔ <11,00> и S*(T*) ↔ <00,11> в прямом и инверсном логических троичных кодов, благодаря чему появляется возможность не только обнаруживать искаженные помехой троичные символы, но и исправлять ошибки передачи информации.
3
3
2
0
1
0
0
0
3
Потребности существующей практики передачи информации с учетом новых экономических условий требуют, чтобы, с одной стороны, все новые информационные технологии быстро внедрялись, чему зачастую мешают реализованные в существующей практике базовые технические решения, и в то же время сама модернизация существующих систем и комплексов должна быть минимальной по затратам. В условиях подобных противоречий особую значимость приобретают те технические решения, которые предполагают внесение минимума коррекций на аппаратурном уровне в уже существующие системы и комплексы. Как правило, традиционные способы не могут быть использованы для разрешения подобных противоречий, поэтому особая актуальность ощущается в поиске различных нетрадиционных резервов. Их основу составляет установление новых соотношений, как логических, так и аналитических, в том числе и между новыми видами модуляции, которые появляются при переходе от двоичного кода к более экономному логическому троичному коду. Возможному последующему варианту их развития посвящен патент ([8], «Способ передачи информации с использованием замещающего логического троичного помехоустойчивого кода», патент RU №2724794, опубл. 25.06.2020 г., бюл. №18). В нем импульсы ШИМ логического помехоустойчивого троичного кода используют, как основу перехода от узкополосной связи к широкополосным принципам ее организации, на основе их заполнения «чипами», представляющими собой коды Баркера длины 7, 5 и 3 (фиг. 8(a)). Ими заполняют соответствующие импульсы ШИМ, имеющие длительности «Т=2Т», «T=1,5Т» и «Т» (фиг. 8(г)), соответственно, а вместо появляющегося при использовании «чипов» защитных интервалов, имеющих длительность Т0/4, подставляют двоичный символ «1». Появляющиеся при этом двоичные кодовые конструкции «101» с длительностью символов τ=Т/4, используют для одной из операций восстановления последовательности переданных импульсов ШИМ. Дополнительное кодирование передаваемой информации предлагаемым дублирующим инверсным троичным кодом создает основу для обогащения идеи перехода от узкополосной связи к широкополосной в случаях, когда уровень помех будет приводить к недопустимым потерям при использовании узкополосной передачи информации.
Использованные источники информации
1. Шахнович И.В. «Современные технологии беспроводной связи», М.: Техносфера, 2006. - 288 с., с. 75- 80.
2. Левин Л.С., Плоткин М.А. «Цифровые системы передачи информации». - М.: Радио и связь, 1982. - 216 с, с. 135- 143.
3. Способ передачи информации и устройство для его осуществления, патент RU №2475861 С1, опубл. 25.04.2013, бюл. №21.
4. Способ передачи информации и система для его осуществления, патент RU №2581774 С2, опубл. 20.04.16 г., бюл. №11.
5. Способ передачи информации с использованием замещающего логического троичного помехоустойчивого кода», заявка №2020115929/28(026103) с приоритетом от 20.04.2020 г., решение о выдаче патента от 09.10.2020 г.
6. Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра (Wireless Digital Communications: Modulation and Spread Spectrum Applications). - M.: Радио и связь, 2000. - 552 с. - ISBN 5-256-01444-7.
7. М.С. Ярлыков «Меандровые шумоподобные сигналы (ВОС-сигналы)» и их разновидности в спутниковых радионавигационных системам, М.: Радиотехника, 2017. - 416 с.
8. Способ передачи информации с использованием замещающего логического троичного помехоустойчивого кода, патент RU №2724794, опубл. 25.06.2020 г., бюл. №18.