Способ помехозащищенной передачи дискретных сигналов на основе однополосной модуляции
METHOD FOR NOISE-PROOF TRANSMISSION OF DISCRETE SIGNALS BASED ON SINGLE-SIDEBAND MODULATION

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для применения в помехозащищенных системах радиосвязи.
Известен способ формирования сигнала с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты, описанный в патенте РФ №2343638 [Бокк О.Ф., Маковий В.А. Линия радиосвязи для сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. Патент РФ №2343638 от 10.01.2009]. В этом способе входную информацию разбивают на K параллельных потоков, преобразуют в модулированные радиочастоты, переносят на выходные радиочастоты, определяемые псевдослучайной последовательностью, причем время работы на каждой частоте в каждом потоке регулируют изменением уровня сигнала в i-ом (1<i≤K) потоке.
Недостатком известного способа является низкая помехозащищенность формируемого радиосигнала в условиях воздействия ответных помех.
Известен способ формирования сигнала с ППРЧ, описанный в патенте РФ №2228575 [Герасименко В.Г., Тупота В.И., Тупота А.В. Способ передачи дискретной информации в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. Патент №2228575 10.05.2004]. В этом способе частоты сигнала модулируют помехоустойчивым кодом, а перестройку передатчика осуществляют одновременно на несколько частот.
Однако данный способ, как и предыдущий аналог, характеризуется низкой помехозащищенностью приема сигнала при воздействии ответных помех.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявляемому является изобретение, описанное в [Дворников С.В. Балыков А.А. Овчинников Г.Р., Присяжнюк А.С. Способ передачи информации по коротковолновому каналу связи с использованием частотно-манипулированных сигналов. Патент РФ №2705357 от 07.11.19]. В способе-прототипе методами частотной манипуляции формируют радиосигнал перестановочной модуляции на основе кодирования информационного слова последовательностью с постоянным весом. Количество поднесущих формируемого радиосигнала выбирают в соответствии с разрядностью кода. Информационный поток двоичных бит разбивают на информационные блоки в соответствии с числом доступных комбинаций и формируют сигналы в виде амплитудно-манипулированных колебаний на длительности каждого передаваемого символа только на тех поднесущих, которым соответствуют информационные единицы. Формирование радиосигнала осуществляют на основе аддитивного объединения сформированных сигналов. Принимают результирующий частотно-манипулированный сигнал на поднесущих частотах как независимые частотно-разнесенные амплитудно-манипулированные колебания.
Недостатком известного способа-прототипа является низкая помехозащищенность приема сигнала в условиях воздействия ответных помех.
Задачей изобретения является создание способа обеспечивающего формирование сигналов с повышенной структурной скрытностью за счет применения нескольких видов модуляции с изменяемыми параметрами.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение помехозащищенности приема в условиях воздействия ответных помех.
Заявляемый технический результат достигается в способе помехозащищенной передачи дискретных сигналов на основе однополосной модуляции, заключающимся в том, что для передачи дискретных сигналов выделяют полосу рабочих частот, выбирают код с постоянным весом для кодирования поднесущих формируемого сигнала в виде битового потока таким образом, чтобы разрядность кода соответствовала числу доступных для передачи поднесущих, разбивают битовый поток на информационные блоки в соответствии с числом доступных комбинаций кода, определяющих его алфавит, ставят в соответствие каждому информационному блоку свою уникальную комбинацию элементов кода, формируют сигналы в виде амплитудно-манипулированных колебаний на длительности каждого передаваемого символа только на тех поднесущих, которым соответствуют информационные блоки, после чего осуществляют аддитивное сложение сформированных сигналов на всех поднесущих, принимают частотно-манипулированный сигнал на поднесущих частотах как независимые частотно- разнесенные амплитудно-манипулированные колебания, отличающийся тем, что выделение полосы рабочих частот осуществляют при условии, что отношение ее ширины к ширине канала тональной частоты задают целым числом больше десяти, разбивают выделенную полосу рабочих частот на поддиапазоны, ширину которых выбирают равной ширине полосы частот канала тональной частоты, нумеруют поддиапазоны, причем центральному поддиапазону присваивают нулевое значение, а поддиапазонам расположенным справа от центрального по порядку присваивают положительные значения, а расположенным слева - отрицательные значения, формируют случайную двоичную последовательность, которую разбивают на битовые блоки таким образом, чтобы десятичное значение числа, получаемого на основе пересчета из двоичной системы в десятичную по битам блока, не превышало значение максимального номера поддиапазона, перед каждой передачей информационного блока определяют десятичное значение числа из двоичного битового блока, частотно-манипулированный сигнал формируют в соответствии со случайной двоичной последовательностью на промежуточной частоте в пределах ширины полосы частот канала тональной частоты, после чего в нулевом поддиапазоне формируют амплитудно-манипулированный сигнал с однополосной модуляцией, с началом излучения радиосигнала плавно изменяют частоту несущей однополосной модуляции таким образом, чтобы к окончанию излучения радиосигнал находился в пределах поддиапазона, номер которого определяется соответствующим десятичным значением числа битового блока, на приемной стороне принимают результирующий частотно-манипулированный сигнал на поднесущих частотах в соответствии со случайной двоичной последовательностью, демодулируют сигнал однополосной модуляции, а затем демодулируют частотно-манипулированный сигнал.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявляемом способе обеспечивается повышение помехозащищенности приема за счет повышения структурной скрытности формируемого дискретного сигнала в результате преобразования его в непрерывный радиосигнал с изменяемыми параметрами посредством применения нескольких видов модуляции.
Поясним возможность достижения заявленного технического результата.
В способе-прототипе изменение положения поднесущих в спектре формируемого радиосигнала осуществляется в зависимости от кода, определяемого алфавитом передачи информации. При этом количество поднесущих, а также шаг сетки частот являются постоянными, что и обуславливает низкие свойства скрытности структуры формируемого радиосигнала.
В заявляемом способе поднесущие сигнала перестановочной модуляции формируют в спектре сигнала однополосной модуляции. Причем на временном интервале передачи информационного блока частота несушей радиосигнала плавно изменяется в выделенной для передачи полосе частот.
При этом при каждой передаче информационных блоков изменение частоты проводят по псевдослучайному для системы постановки помех закону, что существенно затрудняет синхронную постановку ответных помех. Учитывая свойства радиосигнала однополосной модуляции и плавное изменение частоты, излучаемый радиосигнал на временном интервале излучения обладает свойствами частотной модуляции [Д.Д. Кловский. Теория передачи сигналов. Учебник - М. 1973 г.], что определяет повышение его структурной скрытности. В отличие от способа-прототипа, в заявляемом способе осуществляют расширение базы сигнала более чем в десять раз. Согласно [Борисов В.И. Помехозащищенность систем радиосвязи. Основы теории и принципы реализации. Монография. М. Наука. 2009. - 358 с.] помехозащищенность приема сформированного указанным образом радиосигнала при воздействии ответных помех возрастает.
Заявленный способ поясняется чертежом, где на фиг. 1 показано:
а) разбиение диапазона рабочих частот на поддиапазоны;
б) формирование номера поддиапазона из двоичной случайной последовательности;
в) плавное изменение рабочей частоты однополосной модуляции в пределах заданного номера поддиапазона (№пд).
Реализация заявляемого способа в соответствии с фиг. 1 осуществляется следующим образом:
1. Выбирают код с постоянным весом для кодирования поднесущих формируемого радиосигнала таким образом, чтобы разрядность кода соответствовала числу доступных для передачи поднесущих.
2. Разбивают битовый поток на информационные блоки в соответствии с числом доступных комбинаций кода, определяющих его алфавит, ставят в соответствие каждому информационному блоку свою уникальную комбинацию элементов кода.
3. Формируют сигналы в виде амплитудно-манипулированных колебаний на длительности каждого передаваемого символа только на тех поднесущих, которым соответствуют информационные единицы, после чего осуществляют аддитивное сложение сформированных сигналов на всех поднесущих.
Процедуры по п. 1-3 идентичны аналогичным процедурам способа-прототипа.
РЧ
KTЧ
4. Для передачи выделяют полосу рабочих частот (ΔF), отношение ширины которой к ширине канала тональной частоты (ΔF) задают целым числом (N) больше десяти. Разбивают выделенную полосу рабочих частот на поддиапазоны, ширину которых выбирают равной ширине полосы частот канала тональной частоты (см. фиг. 1а).
n
Процедура выделения полосы частот является организационной. Отличительная особенность данной процедуры является то, что ее применение приводит к более чем десятикратному превышению ширины выделенной полосы частот по отношению к ширине канала тональной частоты. Причем для более эффективного использования выделенной полосы частот целесообразно, чтобы количество полос каналов тональной частоты в выделенной полосе частот составляло величину N=2-1, где n - целое число больше четырех.
Разбиение полосы частот на поддиапазоны с заданной шириной канала тональной частоты является известной процедурой, которая реализована, в любом широкодиапазонном радиоприемном устройстве, например, серий Р-160П и Р-170П и описана, в частности в [С.В. Дворников и др. Радиоприемные устройства. Учебник - СПБ. ВАС, 2016 г.].
5. Нумеруют поддиапазоны, причем центральному поддиапазону присваивают нулевое значение, а поддиапазонам расположенным справа от центрального по порядку присваивают положительные значения, а расположенным слева - отрицательные значения (см. фиг. 1а).
Данная процедура является логико-формальной и заключается в закреплении по порядку чисел за поддиапазонами по представленному правилу.
6. Формируют случайную двоичную последовательность (СДП), которую разбивают на битовые блоки таким образом, чтобы десятичное значение числа, получаемого на основе пересчета из двоичной системы в десятичную по битам блока, по модулю не превышало значение максимального номера поддиапазона.
Процедура формирования случайных двоичных последовательностей является известной и приведена, в частности в [Патент РФ №2281603 от 10.08.2006 «Генератор случайной двоичной последовательности», автора Нуждина А.Е.].
Разбиение битового потока на блоки осуществляют аналогично п. 2, за исключением того, что количество бит в блоке выбирают таким образом, чтобы модуль десятичного числа, полученного из битового блока на основе пересчета из двоичной системы в десятичную с учетом знака, не превышал максимального значения номера поддиапазона (см. фиг. 1 б). При этом наличие напряжения двоичной последовательности соответствует единице, отсутствие - нулю.
Правило пересчета из двоичной системы в десятичную является известным и приведено, например, в [Электронный учебник, http:\\de.imfo.\ru\bk-netra].
В качестве примера предположим, что для передачи согласно п. 4 выделена полоса частот, ширина которой составляет пятнадцать полос канала тональной частоты. Тогда максимальное значение модуля номера поддиапазона при способе нумерации по п. 5 равно семи, а количество бит в битовом блоке с учетом знака выбирают равным четырем (см. фиг. 1б).
7. Перед каждой передачей информационного блока определяют десятичное значение числа из двоичного битового блока.
Данная процедура основывается на формировании очередного битового блока и получении на его основе десятичного числа (см. п. 6).
В качестве уточнения примера п. 6 предположим, что двоичный блок с использованием генератора случайной двоичной последовательности сформирован в виде 0101 (см. фиг. 1б). Тогда десятичное число, полученное на основе пересчета из двоичной системы в десятичную, равно пяти.
С учетом особенностей процедур по п. 6 и п. 7 их реализацию целесообразно выполнить программно-аппаратным способом.
8. Частотно-манипулированный сигнал формируют на промежуточной частоте в пределах ширины полосы частот канала тональной частоты, после чего в нулевом поддиапазоне формируют сигнал однополосной модуляции.
Данная процедура основана на выборе номинала промежуточной частоты. Процедура известна и реализована в широкодиапазонных радиоприемных устройствах, например, серии Р-170П, а также представлена в [С.В. Дворников и др. Радиоприемные устройства. Учебник - СПБ. ВАС, 2016 г.].
Отличительной особенностью указанной процедуры является формирование частотно-манипулированного сигнала в пределах ширины канала тональной частоты. При этом выбор скорости манипуляции осуществляют таким образом, чтобы ширина спектра формируемого сигнала не превышала заданное значение см., в частности [Д.Д. Кловский. Теория передачи сигналов. Учебник - М. 1973 г.].
Способы формирования сигналов однополосной модуляции известны и приведены, в частности, в [Патенте РФ №2155445 от 27.08.2000 «Способ формирования однополосного сигнала в транзисторном передатчике и устройство для его осуществления», авторов Судакова Ю.Н., Васильева Е.В.].
0
№пд
9. С началом излучения радиосигнала плавно изменяют частоту несущей (ƒ) однополосной модуляции таким образом, чтобы к окончанию излучения радиосигнал находился в пределах поддиапазона (ƒ), номер которого (№пд) определяют в соответствии с десятичным значением числа битового блока (см. фиг. 1б, в).
Реализация данной процедуры основана на изменении частоты несущей однополосной модуляции при формировании радиосигнала за счет формирования несущей с использованием генератора управляемого напряжением. При этом в процессе формирования сигнала управляющее напряжение плавно изменяют в заданных значениях. Техническая реализации генераторов управляемых напряжением является известной, см., в частности, [Патент РФ №2313898 от 27.12.2007 «Генератор, управляемый напряжением», авторов Попова О.В., Хан С.М.].
Технически наиболее просто указанная процедура реализуется на основе построения цифровых синтезаторов программными способами.
10. На приемной стороне изменение несущей частоты однополосной модуляции в выделенной полосе рабочих частот осуществляют аналогичным образом, как и на передающей стороне, демодулируют сигнал однополосной модуляции, а за тем частотно-манипулированный сигнал.
Изменение несущей частоты однополосной модуляции на приемной стороне осуществляют аналогичным образом, как и на передающей стороне (см. пп. 4-7, п. 9).
Процедура демодуляции радиосигнала однополосной модуляции является известной и приведена, например, в [Патенте РФ №2127018 от 27.02.1999 «Синхронный детектор с подавлением помех», авторов Волошина Л.А. и др.].
Процедуру демодуляции частотно-манипулированного сигнала реализуют аналогичным способу-прототипу образом (см. п. 11)
11. Принимают результирующий частотно-манипулированный сигнал на поднесущих частотах как независимые частотно-разнесенные амплитудно-манипулированные колебания.
Процедура по п. 11 идентична аналогичной процедуре способа-прототипа.
Функциональная модель разработанного способа может быть представлена следующим образом (см. фиг. 1). Для передачи выделяют полосу рабочих частот, отношение ширины которой к ширине канала тональной частоты задают целым числом большим десяти. Разбивают выделенную полосу рабочих частот на поддиапазоны, ширину которых выбирают равной ширине полосы частот канала тональной частоты.
Нумеруют поддиапазоны, причем центральному поддиапазону присваивают нулевое значение, а поддиапазонам, расположенным справа от центрального по порядку присваивают положительные значения, слева - отрицательные значения. Формируют случайную двоичную последовательность, которую разбивают на битовые блоки таким образом, чтобы десятичное значение числа, получаемого на основе пересчета из двоичной системы в десятичную по битам блока, не превышало значение максимального номера поддиапазона.
Выбирают код с постоянным весом для кодирования поднесущих формируемого сигнала, причем разрядность кода должна соответствовать числу доступных для передачи поднесущих. Разбивают битовый поток на информационные блоки в соответствии с числом доступных комбинаций кода, определяющих его алфавит.
Ставят в соответствие каждому информационному блоку свою уникальную комбинацию элементов кода. Формируют сигналы в виде амплитудно-манипулированных колебаний на длительности каждого передаваемого символа только на тех поднесущих, которым соответствуют информационные единицы. На промежуточной частоте в пределах ширины полосы частот канала тональной частоты получают частотно-манипулированный сигнал за счет аддитивного сложения сформированных сигналов на всех поднесущих.
Перед каждой передачей информационного блока определяют десятичное значение числа из двоичного битового блока. В нулевом поддиапазоне на основе частотно-манипулированного сигнала формируют сигнал однополосной модуляции. С началом излучения плавно изменяют частоту несущей однополосной модуляции таким образом, чтобы к окончанию излучения радиосигнал находился в пределах поддиапазона, номер которого определяют в соответствии с десятичным значением числа битового блока.
На приемной стороне изменение рабочей частоты однополосной модуляции в выделенной полосе рабочих частот осуществляют аналогичным образом, как и на передающей стороне. Демодулируют сигнал однополосной модуляции, а затем частотно-манипулированный сигнал.
Результаты проведенного имитационного моделирования передачи сообщений в среде MatLAB на основе разработанного способа показали более чем двадцатикратное снижение значения вероятности ошибки приема элемента частотно-манипулированного сигнала на основе разработанного способа в условиях воздействия ответных помех.
Таким образом, в заявляемом способе при его реализации обеспечивается помехозащищенная передача дискретных сигналов в условиях воздействия ответных помех, что указывает на достижение технического результата изобретения.