СПОСОБ ПАКЕТНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ШУМОПОДОБНЫМИ СИГНАЛАМИ
METHOD FOR PACKET DATA TRANSMISSION WITH NOISE-LIKE SIGNALS

Изобретение относится к области радиотехники и может найти применение в системах помехозащищенной пакетной передачи данных.
Основной задачей, которую приходится решать при проектировании таких систем, является сокращение времени передачи данных при одновременном обеспечении высокой достоверности их приема в условиях воздействия как естественных помех, так и помех от средств радиоэлектронного подавления.
Среди известных методов повышения помехоустойчивости систем связи наибольшее распространение получили метод скачкообразной перестройки частоты (frequency hopping, FH) и метод прямой последовательности (direct sequence, DS) [1]. В отечественной литературе сигналы, формируемые методом DS, называют шумоподобными (широкополосными) фазоманипулированными сигналами (ШПС). Методы их формирования и приема достаточно хорошо исследованы. Им посвящено большое количество научных публикаций, например [2], и патентов [3].
Большинство известных систем связи обладают низкой скоростью передачи информации, так как используют двоичные алфавиты сигналов [4]. В некоторых патентах [5] увеличение скорости передачи информации достигается за счет использования алфавитов сигналов большого объема, однако при этом снижается помехоустойчивость системы, в том числе за счет неполного использования мощности сигнала для передачи информации.
Целью изобретения является повышение помехоустойчивости при обеспечении высокой скорости передачи данных. Достигаемый при использовании изобретения результат – повышение помехоустойчивости системы пакетной передачи данных.
Наиболее близким по количеству совпадающих признаков к заявляемому способу является способ формирования шумоподобных фазоманипулированных сигналов, описанный в [6].
Согласно этому способу в передающем устройстве выполняют следующие операции.
- Формируют сигналы несущей и тактовой частот.
М
М
- Из сигнала тактовой частоты формируют двоичные квазиортогональные ПСП, синхронизирующую и информационную, причем синхронизирующая ПСП является -последовательностью, а информационная ПСП - также -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. Полученную последовательность, так же как и информационную ПСП, укорачивают или удлиняют на один элемент.
- 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.
Недостатком способа-прототипа является то, что в формируемом сигнале только половина его мощности используется для передачи данных, что снижает помехоустойчивость системы радиосвязи.
Для решения поставленной в изобретении задачи в способе пакетной передачи данных шумоподобными сигналами, заключающемся в том, что формируют сигналы несущей и тактовой частот, из сигнала тактовой частоты формируют двоичные квазиортогональные псевдослучайные последовательности (ПСП) максимальной длины, синхронизирующую и информационную, информационную ПСП удлиняют на один постоянный элемент и на каждом периоде повторения информационной ПСП формируют модулированную ПСП путем циклического сдвига неудлинённой информационной ПСП на количество элементов, определяемое передаваемым  информационным символом, и добавлением одного постоянного элемента, согласно изобретению синхронизирующую ПСП укорачивают на определенное количество элементов, в начале передачи каждого пакета данных фазируют между собой синхронизирующую ПСП и информационную ПСП, а также передают синхросигнал, который формируют путем фазовой манипуляции сигнала несущей частоты синхронизирующей ПСП и дополнительным сдвигом по фазе на 90 градусов при несовпадении текущих значений синхронизирующей ПСП и информационной ПСП, время передачи синхросигнала выбирают равным произведению длительности одного периода тактовой частоты и числа, равного наименьшему общему кратному числа элементов синхронизирующей ПСП и числа элементов информационной ПСП, по окончании синхросигнала осуществляют передачу данных, при этом сигнал несущей частоты манипулируют по фазе последовательностью, которую получают сложением по модулю два синхронизирующей ПСП и модулированной ПСП.
Способ пакетной передачи данных шумоподобными сигналами заключается в последовательном выполнении следующих операций.
- Формируют сигналы несущей и тактовой частот.
- Из сигнала тактовой частоты формируют двоичные квазиортогональные ПСП максимальной длины, синхронизирующую и информационную.
- Информационную ПСП удлиняют на один элемент, добавляя, например, в конце логический ноль или единицу, а синхронизирующую ПСП укорачивают на определенное количество элементов.
- На каждом периоде повторения информационной ПСП формируют модулированную ПСП путем циклического сдвига информационной ПСП начальной длины на количество элементов, определяемое значением передаваемого информационного символа, и добавлением одного постоянного элемента.
- Перед передачей каждого пакета данных фазируют между собой информационную ПСП и синхронизирующую ПСП, то есть устанавливают генераторы (формирователи) ПСП в начальные фиксированные состояния.
- Передают в радиоканал синхросигнал, который формируют манипуляцией по фазе на 180 градусов сигнала несущей частоты синхронизирующей ПСП и дополнительным сдвигом по фазе на 90 градусов при несовпадении текущих значений синхронизирующей ПСП и информационной ПСП.
- Синхросигнал передают в течение времени, равного произведению длительности одного периода тактовой частоты и числа, равного наименьшему общему кратному числа элементов укороченной синхронизирующей ПСП и удлиненной информационной ПСП.
- По окончании передачи синхросигнала осуществляют передачу данных. Для этого сигнал несущей частоты манипулируют по фазе на 180 градусов последовательностью, которую формируют сложением по модулю два синхронизирующей ПСП и модулированной ПСП.
Таким образом, для передачи данных используется вся мощность излучаемого сигнала и помехоустойчивость системы радиосвязи увеличивается на 3дБ.
Структура синхросигнала такова, что для его обнаружения и синхронизации с ним требуется время значительно меньшее, чем его длительность. При этом после синхронизации становится известным время окончания синхросигнала и начала передачи данных. Это существенное преимущество, которое отменяет необходимость поиска заголовка пакета данных и упрощает его структуру.
Для пояснения вышесказанного рассмотрим математическое представление синхросигнала:
где  – амплитуда сигнала;
– несущая частота;
– синхронизирующая ПСП;
– информационная ПСП;
– сумма по модулю два синхронизирующей ПСП и информационной ПСП.
Методом перебора значений двоичных переменных  можно доказать тождество
Используя это тождество, синхросигнал можно представить в виде
Как видно, синхросигнал представляет собой сумму двух сигналов несущей частоты, сдвинутых между собой по фазе на 90 градусов, один из которых манипулирован по фазе периодически повторяющейся синхронизирующей ПСП, а второй – периодически повторяющейся информационной ПСП.
В силу квазиортогональности синхронизирующей ПСП и информационной ПСП эти сигналы слабо коррелированы между собой и могут обрабатываться отдельно корреляционными методами. В приемном устройстве возможен одновременный поиск синхронизирующей ПСП и информационной ПСП и синхронизация с ними, что сокращает время вхождения в синхронизм.
N
M
Рассмотрим более подробно методику выбора количества элементов  укороченной синхронизирующей ПСП. Если количество элементов удлиненной информационной ПСП равно , то длительность синхросигнала равна
где τ – длительность одного периода тактовой частоты;
– наименьшее общее кратное чисел .
Используя тождество
где  – наибольший общий делитель чисел , можно представить значение длительности синхросигнала в виде
где  – длительность периода повторения информационной ПСП.
L
Длительность синхросигнала должна быть больше времени, необходимого приемным устройствам для обнаружения синхронизирующей ПСП и информационной ПСП и синхронизации с ними. Если это время выразить как , где  – количество периодов повторения информационной ПСП, то должно выполняться неравенство
Из  (1) и (2) следует, что
L
M
N
Например, если количество элементов исходных ПСП равно 1023, а  лежит в интервале от 20 до 30, то  = 1024 и,  выбрав  = 992, получим
В этом примере синхронизирующую ПСП укорачивают на 31 элемент. Процесс формирования начала и конца синхросигнала представлен на фиг.1. Первый импульс на фиг.1в  соответствует моменту фазирования генераторов (формирователей) синхронизирующей ПСП и информационной ПСП, а также начала передачи синхросигнала. Импульсы на фиг.1а соответствуют моментам начала каждого периода повторения синхронизирующей ПСП, а на фиг.1б – информационной ПСП. Второй импульс на фиг.1в  соответствует моменту совпадения по времени начала синхронизирующей ПСП и начала информационной ПСП, а также моменту начала передачи данных.
Отсюда следует, что в приемном устройстве момент начала передачи данных может быть зафиксирован как момент первого совпадения начала синхронизирующей ПСП и начала информационной ПСП, которые формируются в приемном устройстве синхронно с принимаемым сигналом.
При передаче данных формируемый сигнал имеет вид
где  – модулированная ПСП.
Он представляет собой сигнал несущей частоты, манипулированный по фазе модулированной ПСП и синхронизирующей ПСП. Введение дополнительной фазовой манипуляции синхронизирующей ПСП позволяет получить ансамбль информационных сигналов, слабо коррелированных при временных сдвигах. При её отсутствии в радиоканалах с многолучевым распространением радиоволн информационные сигналы в разных лучах соответствуют различным передаваемых информационным символам. Это приводит к снижению помехоустойчивости приема, так как появляется вероятность выбора информационного символа, соответствующего не основному лучу приема, а одному из дополнительных.
В приемном устройстве квадратурные огибающие входного сигнала должны быть предварительно умножены на сигнал где  – синхронизирующая ПСП, сформированная в приемном устройстве и синхронизированная с принимаемым сигналом во время передачи синхросигнала. После этого вычисляют корреляцию квадратурных огибающих с каждым из сигналов вида  где  соответствует  из  возможных передаваемых информационных символов, а также сумму их квадратов. Выбирают максимальное из  значений суммы квадратов и соответствующую ему модулированную ПСП, по которой определяют передаваемый информационный символ.
Пример технической реализации устройства формирования передаваемого сигнала приведен на фиг. 2.
Устройство содержит:
1 – формирователь сигналов несущей и тактовой частот (ФНТЧ);
M
2 – делитель частоты на ;
3 – параллельный регистр;
N
4 – счетчик по модулю ;
M
5 – счетчик по модулю ;
(M
6 – сумматор по модулю  – 1);
7, 8, 9 – постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);
10, 13 – сумматор по модулю два;
11, 17 – схема  2ИЛИ;
12 – схема  2И;
14 – делитель частоты на K, где ;
15 – перемножитель;
16 – D-триггер;
18 – фазовращатель на 90 градусов;
19 – коммутатор.
M
N
M
Устройство работает следующим образом. Сигнал тактовой частоты, формируемый  ФНТЧ 1, поступает  на  тактовые  входы  делителя  частоты  на  2, счетчика по модулю  4 и счетчика по модулю  5. Внешний сигнал разрешения передачи (РП) поступает на входы обнуления счетчиков 4, 5, входы начальной установки делителей частоты 2, 14 и вход установки в состояние логического нуля D-триггера 16.
Mτ
M
При отсутствии сигнала РП счетчики 4, 5 и D-триггер 16 находятся в нулевом состоянии, а делители частоты 2, 14 – в исходном состоянии. По приходу сигнала РП начинают работать счетчики 4, 5 и делители частоты 2, 14. Делитель частоты 2 формирует импульсы длительностью, равной одному периоду τ тактовой частоты, и с периодом повторения , равным  периодам тактовой частоты. Эти импульсы поступают на тактовые входы параллельного регистра 3 и делителя частоты на  14, а также на один из входов схемы 2ИЛИ 11. По приходу -го импульса  на выходе делителя частоты 14 возникает импульс длительностью, равной одному периоду тактовой частоты, который поступает на тактовый вход D-триггера 16 и устанавливает его в состояние логической единицы.
Выходной сигнал (РД) D-триггера 16  поступает во внешнее устройство передачи данных (УПД) и разрешает передачу данных. Тактовыми импульсами (ТИ) считывания данных из УПД служат выходные импульсы делителя частоты 2. Передаваемые информационные символы в виде многоразрядных двоичных чисел поступают с выхода УПД на вход параллельного регистра 3, куда записываются выходными импульсами делителя частоты 2.
N
Формирование псевдослучайных последовательностей происходит следующим образом. На выходах счетчиков 4 и 5 с частотой тактовых импульсов формируются периодические последовательности многоразрядных двоичных чисел  и  соответственно. Выходные сигналы счетчика 4 поступают на адресные входы ПЗУ 7, в котором записана синхронизирующая ПСП. На выходе ПЗУ 7 формируется периодически повторяющаяся последовательность, состоящая из  элементов синхронизирующей ПСП.
Аналогично, выходные сигналы счетчика 5 поступают на адресные входы ПЗУ 8, в котором записана информационная ПСП, дополненная одним элементом. На выходе ПЗУ 8 формируется периодически повторяющая информационная ПСП, дополненная одним элементом.
K
Синхросигнал формируется на протяжении первых  периодов повторения информационной ПСП. В это время D-триггер 16 находится в состоянии логического нуля. Его выходной сигнал, поступая на один из входов схемы 2И 12, формирует на её выходе сигнал с уровнем логического нуля, который складывается в сумматоре по модулю два 13 с синхронизирующей ПСП. В результате на выходе сумматора по модулю два 13 формируется неискаженная синхронизирующая ПСП, которая в перемножителе 15 умножается на сигнал несущей частоты. Фазоманипулированный сигнал с выхода перемножителя 15 поступает на один из входов коммутатора 19 непосредственно, а на второй вход – после сдвига по фазе на девяносто градусов в фазовращателе 18. Управление коммутатором 19 осуществляется выходным сигналом схемы 2ИЛИ 17, на один из входов которой поступает сигнал с выхода сумматора по модулю два 10, представляющий собой сумму по модулю два синхронизирующей ПСП и информационной ПСП. На второй вход схемы 2ИЛИ 17 поступает выходной сигнал D-триггера 16. Так как в этом режиме он имеет уровень логического нуля, на выход схемы 2ИЛИ 17 проходит выходной сигнал сумматора по модулю два 10 и управление коммутатором 19 осуществляется сигналом, являющимся суммой по модулю два синхронизирующей ПСП и информационной ПСП.
В режиме передачи данных D-триггер 16 переходит в состояние логической единицы. Его выходной сигнал устанавливает на выходе схемы 2ИЛИ 17 постоянный сигнал с уровнем логической единицы, и коммутатор 19 постоянно пропускает на выход сигнал с выхода перемножителя 15. Кроме того, выходной сигнал D-триггера 16, поступая на один из входов схемы 2И 12, разрешает прохождение сигнала с выхода схемы 2ИЛИ 11 на один из входов сумматора по модулю два 13.
Двоичные коды передаваемых информационных символов записываются в параллельный регистр 3 и поступают на один из входов сумматора по модулю  6, на второй вход которого поступает многоразрядный  сигнал  с выхода счетчика по модулю  5. На выходе сумматора по модулю  6 формируется циклически сдвинутая последовательность , состоящая из  элемента. Величина сдвига равна числу, двоичный код которого записан в регистре 3.
Выходные сигналы сумматора по модулю  6 поступают на адресные  входы  ПЗУ 9, в котором записана информационная ПСП. На  выходе ПЗУ 9 формируется модулированная ПСП, представляющая собой неудлинённую  циклически сдвинутую  информационную ПСП. В схеме 2ИЛИ 11 происходит добавление к ней постоянного элемента, равного логической единице, в момент прихода импульса с выхода делителя 2.
Выходной сигнал схемы 2ИЛИ 11 проходит на один из входов сумматора по модулю два 13, на второй вход которого поступает синхронизирующая ПСП, а на выходе формируется сумма по модулю два синхронизирующей ПСП и модулированной ПСП, которая в перемножителе 15 манипулирует по фазе сигнал несущей частоты.
ИСТОЧНИКИ ИНФОМАЦИИ
1. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр. Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. – 1104 с., с.733-819.
2. Борисов В.И. и др. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью – М.: Радио и связь, 2003. – 641с.
3. Патент RU 2646 353 С1. Передатчик повышенной структурной и энергетической скрытности. Опубликовано 02.03.2018. Бюл. № 7.
4. Патент RU 2127 486 С1. Способ и устройство передачи сообщений широкополосными сигналами. Опубликовано 10.03.1999.
5. Патент RU 2279 183 С2. Способ передачи информации в системе связи с широкополосными сигналами. Опубликовано 27.06.2006. Бюл. № 18.
6. Патент RU 2731 681 С1. Способ формирования шумоподобных фазоманипулированных сигналов. Опубликовано 07.09.2020. Бюл. № 25.