Способ формирования шумоподобных фазоманипулированных сигналов
METHOD OF FORMING NOISE-LIKE PHASE-SHIFT KEYED SIGNALS

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в системах радиосвязи с шумоподобными сигналами для повышения их помехоустойчивости и разведзащищенности.
Применение шумоподобных сигналов обеспечивает высокую помехоустойчивость систем радиосвязи к воздействию целого ряда помех, создаваемых средствами радиоэлектронного подавления (РЭП). К ним, например, относятся прицельные и заградительные помехи [1, стр.16]. Для нарушения радиосвязи мощность таких помех должна на один-два порядка превышать мощность передаваемого сигнала.
В то же  время  имитирующие  помехи, применяемые  средствами  РЭП [1, стр.14], могут нарушать радиосвязь при мощности помехового сигнала, соизмеримой с мощностью передаваемого сигнала.
Рассмотрим воздействие имитирующих помех на системы радиосвязи, использующие шумоподобные сигналы. Для синхронизации приемника с передатчиком используются, как правило, непрерывно передаваемые синхронизирующие шумоподобные сигналы [2]. Они представляют собой сигнал несущей частоты, манипулированный по фазе периодической двоичной псевдослучайной последовательностью (СП). Имитирующая помеха содержит такой же синхронизирующий сигнал, но с изменяющейся во времени задержкой относительно передаваемого сигнала. В результате СП помехи и сигнала периодически совпадают. Схема слежения за задержкой СП в приемном устройстве (СС3), называемая так же схемой автоподстройки времени (АПВ) [3, стр.302] в такие моменты времени может переключиться на слежение за задержкой СП помехи и рассинхронизироваться с передатчиком. Вероятность такого события тем ниже, чем ниже частота совпадений СП помехи и сигнала, которая, в свою очередь, уменьшается при увеличении длительности периода повторения СП.
Отсюда следует вывод, что для повышения помехоустойчивости системы радиосвязи к имитирующим помехам необходимо увеличивать период повторения СП. Но так как СП также используется для обнаружения сигнала [2], увеличение периода повторения, а следовательно, количества элементов СП, неизбежно приводит к увеличению времени поиска сигнала. В свою очередь, время поиска сигнала ограничивается требованием к задержке передачи информации.
Задачей изобретения является снижение вероятности срыва синхронизации при воздействии имитирующих помех без существенного увеличения времени поиска сигнала. Достигаемый при использовании изобретения результат – повышение помехоустойчивости и разведзащищенности системы радиосвязи.
Наиболее близким по количеству совпадающих признаков к заявленному способу является способ формирования шумоподобных фазоманипулированных сигналов, описанный в [4].
Согласно этому способу формируют сигналы несущей и тактовой частот, из сигнала тактовой частоты формируют квазиортогональные или ортогональные псевдослучайные последовательности, одна из которых предназначена для синхронизации (СП), а вторая – для передачи информации (ИП). Последовательности фазируют между собой, после чего ИП циклически сдвигают относительно СП на количество элементов, определяемое цифровыми данными, поступающими от источника информации за время, равное периоду псевдослучайных последовательностей. Циклически сдвинутую последовательность ИП суммируют по модулю два с дополнительным битом информации и манипулируют по фазе сигнал несущей частоты. Формируют второй сигнал несущей частоты, сдвинутый относительно первого по фазе на 90 градусов, который манипулируют по фазе последовательностью СП и складывают с манипулированным первым сигналом несущей частоты.
Недостатком способа-прототипа является то, что формируемые сигналы не обеспечивают высокую помехоустойчивость системы радиосвязи при воздействии имитирующих помех.
Для решения поставленной в изобретении задачи в способе формирования шумоподобных фазоманипулированных сигналов, заключающемся в том, что формируют сигналы несущей и тактовой частот, из сигнала тактовой частоты формируют двоичные квазиортогональные псевдослучайные последовательности (ПСП) максимальной длины, сфазированные между собой, синхронизирующую и информационную, на каждом периоде повторения информационной ПСП формируют модулированную ПСП путем циклического сдвига информационной ПСП на количество элементов, определяемое передаваемым информационным символом, и дополнительного сложения по модулю два с еще одним битом информации, согласно изобретению, модулированную ПСП суммируют по модулю два с задержанной на целое число периодов тактовой частоты синхронизирующей ПСП, а результат мажоритарно суммируют с синхронизирующей ПСП и информационной ПСП, полученной двоичной последовательностью осуществляют фазовую манипуляцию сигнала несущей частоты, а фазоманипулированный сигнал дополнительно смещают по фазе на ноль или девяносто градусов последовательностью, которую формируют сложением по модулю два синхронизирующей ПСП и информационной ПСП, при этом информационную ПСП и модулированную ПСП укорачивают или удлиняют на один элемент, а фазирование синхронизирующей ПСП с информационной ПСП осуществляют периодически с периодом, равным произведению числа элементов синхронизирующей ПСП, числа элементов информационной ПСП и длительности периода тактовой частоты.
Способ формирования шумоподобных сигналов заключается в последовательном выполнении следующих операций:
- Формируют сигналы несущей и тактовой частот.
- Из сигнала тактовой частоты формируют двоичные квазиортогональные ПСП, синхронизирующую и информационную, причем синхронизирующая ПСП является М-последовательностью, а информационная ПСП - также М-последовательность, но укороченная или удлиненная на один элемент.
- Периодически с периодом, равным произведению числа элементов синхронизирующей ПСП, числа элементов информационной ПСП и длительности периода тактовой частоты, осуществляют фазирование синхронизирующей ПСП с информационной ПСП, то есть устанавливают генераторы ПСП в начальные фиксированные состояния.
- На каждом периоде повторения информационной ПСП формируют модулированную ПСП путем циклического сдвига информационной ПСП с неизмененной длиной на количество элементов, определяемое передаваемым информационным символом, и дополнительного сложения по модулю два с еще одним битом информации.
- Суммируют по модулю два модулированную ПСП и задержанную на целое число периодов тактовой частоты синхронизирующую ПСП, а результат мажоритарно суммируют с синхронизирующей ПСП и информационной ПСП. Под мажоритарным сложением логических сигналов понимается операция вычисления мажоритарной функции «два из трех».
- Полученной двоичной последовательностью манипулируют по фазе сигнал несущей частоты.
- Суммируют по модулю два синхронизирующую ПСП и информационную ПСП, а полученной двоичной последовательностью осуществляют дополнительный сдвиг фазы фазоманипулированного сигнала на ноль или девяносто градусов.
Пример технической реализации устройства формирования сигнала согласно заявляемому способу приведен на фиг. 1. Устройство содержит:
1 – формирователь сигналов несущей и тактовой частот (ФНТЧ);
2 – делитель частоты на ;
3, 4 – генератор информационной ПСП (генератор ИП);
5 – параллельный регистр;
6 – делитель частоты на ;
7 – сумматор по модулю два;
8 – генератор синхронизирующей ПСП (генератор СП);
9, 10 – сумматор по модулю два;
11 – мажоритарный элемент;
12 – перемножитель;
13 – коммутатор;
14 – фазовращатель на 90°.
Устройство работает следующим образом. Сигнал тактовой частоты, формируемый ФНТЧ 1, поступает на тактовые входы делителя частоты на 2, генератора СП 8, генераторов ИП 3 и 4. Делитель частоты на 2 формирует импульсы длительностью, равной одному периоду  тактовой частоты, и с периодом повторения  равным  периодам тактовой частоты. Эти импульсы поступают на входы разрешения начальной установки генератора ИП 3 и генератора ИП 4, а также тактовые входы параллельного регистра 5 и делителя частоты на 6. В результате генератор ИП 3 формирует периодически повторяющуюся информационную ПСП с количеством элементов равным . Делитель частоты на 6, где  равно  или , формирует импульсы длительностью  и с периодом повторения  которые поступают на вход разрешения начальной установки генератора СП 8.
В качестве генераторов ПСП 3, 4 и 8 используются генераторы линейных рекуррентных последовательностей, выполненные на основе универсальных регистров с сумматором по модулю два в цепи обратной связи выхода со входом. Входами начальной установки генераторов являются входы параллельной записи регистров. Тактовый вход генератора является тактовым входом регистра, а вход разрешения начальной установки – входом выбора режима параллельной записи регистра. По приходу на вход разрешения начальной установки импульса длительностью  очередным фронтом тактовых импульсов происходит запись кода начальной установки в регистр. В дальнейшем, работая в режиме регистра сдвига, он формирует линейную рекуррентную последовательность.
На входах начальной установки генератора ИП 3 и генератора СП 8 установлены фиксированные двоичные коды, которые не показаны на фиг.1. На входы начальной установки генератора ИП 4 поступает код передаваемого информационного символа с выходов параллельного регистра 5. Таким образом, разным информационным символам соответствуют разные циклические сдвиги информационной ПСП, формируемой генератором ИП 4, относительно информационной ПСП, формируемой генератором ИП 3. Передаваемая информация в виде многоразрядных двоичных слов поступает на входы параллельного регистра 5, куда записывается импульсами разрешения начальной установки генератора ИП 3 и генератора ИП 4. Один бит информации с выхода регистра 5 поступает на вход сумматора по модулю два 7, в котором складывается с циклически сдвинутой информационной ПСП, формируемой генератором ИП 4. Модулированная ПСП с выхода сумматора по модулю два 7 поступает на вход сумматора по модулю два 9, в котором складывается с синхронизирующей ПСП, поступающей с выхода одного из разрядов регистра генератора СП 8. Выходной сигнал сумматора по модулю два 9 поступает на один из входов мажоритарного элемента 11, на два других входа которого подаются: синхронизирующая ПСП с выхода генератора СП 8 и информационная ПСП с выхода генератора ИП 3. На выходе мажоритарного элемента 11 формируется сигнал с уровнем логической единицы только при наличии на его входе двух или трех сигналов с уровнем логической единицы. Выходной сигнал мажоритарного элемента поступает на один из входов перемножителя 12, на второй вход которого подается сигнал несущей частоты с выхода ФНТЧ 1. На выходе перемножителя формируется фазоманипулированный сигнал, поступающий на один из входов коммутатора 13 непосредственно, а на второй вход – после сдвига по фазе на 90 градусов в фазовращателе 14. Управление коммутатором 13 осуществляется сигналом, полученным в результате сложения в сумматоре по модулю два 10 информационной ПСП с выхода генератора ИП 3 и синхронизирующей ПСП с выхода генератора СП 8. На выходе коммутатора 13 образуется выходной сигнал формирователя, представляющий собой шумоподобный сигнал с квадратурной фазовой манипуляцией.
С целью обеспечения низкого уровня взаимной корреляции синхронизирующей ПСП и информационной ПСП для их формирования целесообразно выбирать М-последовательности, образующие последовательность  Голда  [3, стр.119].
Надо отметить, что генератор СП 8, формирующий последовательность максимальной длины, не требует начальной установки в каждом периоде формирования ПСП. Выходной сигнал делителя частоты на 6 обеспечивает начальную установку генератора СП 8 каждые  периодов формируемой ПСП. В тот же момент времени происходит начальная установка генератора ИП 3, тем самым осуществляется фазирование информационной ПСП и синхронизирующей ПСП. Так как число элементов информационной ПСП на единицу больше или меньше числа элементов синхронизирующей ПСП, формируемой генератором СП 8, через каждый период синхронизирующей ПСП происходит сдвиг на один элемент информационной ПСП относительно синхронизирующей ПСП и меняется их сумма по модулю два. Поэтому последовательность на выходе сумматора по модулю два 10 является периодической с числом элементов, равным
Для доказательства достигаемого положительного результата в заявленном способе рассмотрим математическое представление формируемого сигнала:
где   – амплитуда сигнала;
– несущая частота;
– синхронизирующая ПСП;
– информационная ПСП;
– модулированная ПСП;
– модулированная ПСП, сложенная по модулю два с задержанной на n тактов синхронизирующей ПСП;
– мажоритарная сумма трех логических переменных.
Методом перебора значений переменных  можно доказать тождество
Используя это соотношение, формируемый сигнал можно представить в виде
Таким образом, он представляет собой сумму следующих сигналов:
- сигнала несущей частоты, манипулированного по фазе синхронизирующей ПСП;
- сигнала несущей частоты, манипулированного по фазе информационной ПСП;
- сигнала несущей частоты, сдвинутого по фазе на 90 градусов и манипулированного по фазе модулированной ПСП и задержанной синхронизирующей ПСП;
- сигнала несущей частоты, сдвинутого по фазе на 90 градусов и манипулированного по фазе синхронизирующей ПСП, информационной ПСП, модулированной ПСП и задержанной синхронизирующей ПСП.
В силу квазиортогональности синхронизирующей ПСП и информационной ПСП все четыре сигнала слабо коррелированы между собой и могут обрабатываться отдельно корреляционными методами.
Таким образом, в приемном устройстве может быть реализован отдельный поиск синхронизирующей ПСП и информационной ПСП, после обнаружения которых, осуществляется автоподстройка несущей и тактовой частот и прием информации. Так как информационная ПСП имеет практически такое же количество элементов, что и синхронизирующая ПСП, время поиска увеличивается всего в два раза.
Для защиты от имитирующих помех слежение за задержкой принимаемого сигнала в приемнике (автоподстройки времени) [3, стр.302] необходимо осуществлять на основе оценок задержек как принимаемой синхронизирующей ПСП, так и принимаемой информационной ПСП относительно ПСП, формируемых в приемнике. При этом из этих двух оценок необходимо выбирать минимальную по абсолютной величине. Если задержка имитирующей помехи такова, что задержка синхронизирующей ПСП совпала с задержкой синхронизирующей ПСП принимаемого сигнала, то после того, как они станут отличаться на некоторую часть длительности элемента ПСП, схема слежения за задержкой автоматически переключится на работу с оценкой задержки информационной ПСП принимаемого сигнала, имеющей меньшее значение по абсолютной величине.
Аналогично, если задержка информационной ПСП имитирующей помехи совпадает с задержкой информационной ПСП принимаемого сигнала, через некоторое время схема слежения за задержкой переключится на работу с оценкой задержки синхронизирующей ПСП принимаемого сигнала.
Только в том случае, когда совпадут задержки синхронизирующих ПСП и информационных ПСП имитирующей помехи и принимаемого сигнала, возможно появление ошибок в приеме информации и срыв синхронизации. Это происходит, когда задержка имитирующей помехи относительно принимаемого сигнала составляет целое число периодов  выходной последовательности сумматора по модулю два 10. Вероятность такого события, а следовательно и вероятность срыва синхронизации, обратно пропорциональна . По сравнению со способом-прототипом, при одинаковой длительности периода повторения синхронизирующей ПСП вероятность срыва синхронизации уменьшается в число раз, равное отношению  к длительности периода повторения синхронизирующей ПСП, то есть в  раз. Например, при вероятность уменьшается более чем в тысячу раз.
Прием информации при заявляемом способе формирования сигнала может осуществляться так же, как в способе-прототипе. А именно, путем вычисления значения взаимной корреляции принимаемого сигнала, умноженного на  с последовательностями, образованными всеми возможными циклическими сдвигами информационной ПСП, и определения циклического сдвига с максимальным по абсолютной величине значением взаимной корреляции. По значению циклического сдвига определяют  передаваемый информационный символ, а по знаку соответствующего значения взаимной корреляции определяют значение еще одного бита информации. Можно показать, что для получения наибольшего отношения сигнал/шум принимаемый сигнал необходимо предварительно обнулить на интервалах времени совпадений значений синхронизирующей ПСП и информационной ПСП, то есть умножить на сигнал , так как в эти моменты времени фаза сигнала зависит только от значения синхронизирующей ПСП. При одинаковой мощности принимаемого сигнала соотношение сигнал/шум для максимального по абсолютной величине значения взаимной корреляции такое же, как в способе-прототипе. Кроме того, применение при формировании сигнала нелинейной мажоритарной функции значительно повышает криптостойкость сигнала, а следовательно – разведзащищенности системы радиосвязи.
ИСТОЧНИКИ ИНФОМАЦИИ
1. Военно-техническая подготовка. Военно-технические основы построения средств и комплексов РЭП: учебник /А.С. Осипов; под науч. ред. Е.Н. Гарина. – Красноярск: Сиб. Федер. ун-т, 2013. – 344с.
2. Патент RU 2115 236 С1. Система связи с широкополосными сигналами. Опубликован 10.07.1998.
3. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. – М.: Радио и связь, 1985. – 384с.
4. Патент RU 2279 183 С2. Способ передачи информации в системе связи с широкополосными сигналами. Опубликован 27.06.2006. Бюл. №18.