Способ передачи информации по коротковолновому каналу связи с использованием частотно-манипулированных сигналов
METHOD OF TRANSMITTING INFORMATION OVER A SHORT-WAVE COMMUNICATION CHANNEL USING FREQUENCY-SHIFT KEYED SIGNALS

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для цифровых каналов радиосвязи.
Предлагаемый способ передачи информации по коротковолновому каналу связи с использованием частотно-манипулированных сигналов определяет алгоритм формирования и детектирования радиосигналов, манипулированных по амплитуде и частоте, соответствующих многоэлементному символу, последовательно передаваемому радиоимпульсами по частотно-разнесенным подканалам, количество которых соответствует числу временных позиций на длительности одного символа.
Известны способы передачи на разных частотах многопозиционных сигналов с помощью одного символа (элемента) сообщения.
Например, способ передачи информации с использованием сигналов ДЧТ (двойная частотная телеграфия), который может быть принят за аналог, заключается в том, что один дибитный символ сообщения передается на одной из четырех параллельных поднесущих частот F1, F2, F3 и F4. Если, например, излучение передается на частоте F1, то оно может соответствовать передаче дибита «00». Излучение на частоте F2 может соответствовать передаче дибита «01», излучение на частоте F3 может соответствовать передаче дибита «10», а излучение на частоте F4 может соответствовать передаче дибита «11» [Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. - Советское радио, 1963. - С. 133, 289]. Недостатком данного способа является достаточно низкая скорость передачи, т.к. каждый символ сигнала ДЧТ способен передавать только 2 бита информации. В частности, для систем коротковолновой связи, где частотная ширина каналов ограничена полосой СТК в пределах 0,3 - 3,4 кГц (СТК - стандартный телефонный канал) [Зингеренко Ю.А. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей / Конспект лекций. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2005 - 143 с.], эффективность использования канала, как отношение количества одновременно передаваемых битов к его полосе пропускания, для сигнала ДЧТ составит 1/1550.
Известен способ формирования сигналов ALE 2G [ОТЧЕТ МСЭ-R F.2061 Системы фиксированной ВЧ радиосвязи]. В данном способе сигнал ALE 2G представляет собой модуляцию с частотной манипуляцией с восемью ортогональными тонами (ЧМн-8), по одному тону (или символу) единовременно. Каждый тон представляет собой три бита данных. Принцип кодирования сигнала ALE 2G заключается постановкой в соответствие каждой из поднесущей ЧМн-8 своей трех битовой комбинации информационного сообщения. Недостатком данного способа является относительно низкая скорость передачи, т.к. каждый символ сигнала ALE 2G способен передавать только 3 бита информации. Поэтому эффективность использования канала, как отношение количества одновременно передаваемых битов к его полосе пропускания, для сигнала ALE 2G составит 1/1033.
2
Известен способ передачи информации по коротковолновому каналу связи с использованием частотно-манипулированных сигналов с большой девиацией частоты по патенту РФ №2519011, заключающийся в том, что сигналы на поднесущих частотах принимают как независимые частотно-разнесенные амплитудно-манипулированные колебания с оценкой уровня сигнала и помех, производят оценку качества, обусловленную отношением «сигнал+помеха»/«помеха», и выносят решение о значении принимаемого символа, которое зависит от полученных оценок качества сигналов на поднесущих частотах, при этом количество частотно-разнесенных подканалов равно числу N, которое больше двух, в каждом подканале для обеспечения минимального пикфактора радиосигнала передачу осуществляют последовательно во времени на одной из М частот, излучая радиоимпульсы длительностью, в N раз меньшей длительности одного символа передаваемого сообщения, при этом время излучения и частота излучения радиоимпульса в каждом подканале зависят от значения передаваемого n-элементного (n=ln(M⋅N)) символа, а решение о значении принимаемого символа выносят с учетом оценок качества принимаемых импульсов в каждом частотно-разнесенном подканале по критерию отношения максимального значения отсчета, полученного как вдоль оси времени, так и вдоль оси частот, что соответствует условию передачи сигнала к среднему значению уровня помех, получаемому в каждом подканале усреднением всех отсчетов на N позициях вдоль оси времени и на М позициях вдоль оси частот за исключением отсчета, который соответствует местоположению принимаемого сигнала, и за исключением отсчетов, которые имеют максимальные значения в один и тот же момент времени на всех соседних частотах подканала и относятся к местоположению воздействия импульсной помехи.
Данное техническое решение, как наиболее близкое к заявленному по техническому существу и достигаемому результату, принято в качестве его прототипа
Техническим результатом наиболее близкого аналога является повышение коэффициента исправного действия каналов радиосвязи, подверженных селективным замираниям и воздействию узкополосных и импульсных аддитивных помех, за счет использования многократно разнесенных по частоте амплитудно-модулированных сигналов с многопозиционным частотно-временным кодированием. Однако наиболее близкий аналог имеет следующий недостаток. При увеличении числа используемых подканалов, например, для передачи сообщений на основе n-элементных символов, происходит существенное снижение помехоустойчивости формируемых сигналов. Так, для передачи 5-элементных сигналов в соответствии с наиболее близким аналогом потребуется наличие 7 подканалов, в каждом из которых будет использовано не менее 4 частот, и при этом длительность символа в пределах каждого подканала будет уменьшена в 8 раз. Учитывая, что энергия сигнала, определяющая помехоустойчивость, зависит от его длительности [Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. - Советское радио, 1963. - 576 с], то для сохранения помехоустойчивости элемента сигнала в пределах каждого из подканалов, где и происходит принятие решения, необходимо увеличить длительность в 7 раз, что равносильно снижению скорости передачи. Кроме того, наиболее близкий аналог не позволяет выявлять ошибки в переданном сообщении на уровне приема сигнала (обнаружения/демодуляции).
Задачей изобретения является повышение скорости передачи n-элементных сигналов с возможностью выявления ошибок на уровне приема сигнала (обнаружения/демодуляции).
Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения указанной заявителем технической проблемы и получения обеспечиваемого полезной моделью технического результата.
Согласно изобретению способ передачи информации по коротковолновому каналу связи с использованием частотно-манипулированных сигналов, заключающийся в том, что сигналы на поднесущих частотах принимают как независимые частотно-разнесенные амплитудно-манипулированные колебания, производят оценку уровня сигнала на поднесущих частотах, излучение на которых зависит от значения передаваемого символа и выносят решение о значении принимаемого символа, которое зависит от полученных оценок качества сигналов на поднесущих частотах, характеризуется тем что предварительно выбирают код с постоянным весом для кодирования поднесущих частот таким образом, чтобы разрядность кода соответствовала числу доступных для передачи поднесущих частот, затем 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 с постоянным весом, которая определяет передаваемый символ, после чего формируют сигналы в виде амплитудно-манипулированных колебаний на длительности каждого передаваемого символа только на тех поднесущих частотах, которым соответствуют информационные единицы, определяемые комбинацией элементов кода с постоянным весом, причем формируют результирующий частотно-манипулированный сигнал путем аддитивного сложения колебаний всех поднесущих частот и принимают результирующий частотно-манипулированный сигнал на поднесущих частотах как независимые частотно-разнесенные амплитудно-манипулированные колебания, при этом оценивают качество сигнала на поднесущих частотах путем сравнения рассчитанного среднего значения мощности его спектральных компонент в пределах каждой из поднесущих частот, с рассчитанной величиной среднего значения мощности сигнала на длительности принятого символа на всех поднесущих частотах, а решение о передаче информационной единицы в пределах каждой из поднесущих частот принимают в случае, если рассчитанное среднее значение мощности спектральных компонент в пределах поднесущей частоты превышает рассчитанную величину среднего значения мощности на длительности принятого символа на всех поднесущих частотах, а в противном случае принимают решение о передаче информационного нуля.
Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в повышении скорости передачи n-элементных сигналов с возможностью выявления ошибок на уровне приема сигнала (обнаружения/демодуляции).
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, на котором на фиг. 1 представлен принцип кодирования поднесущих частот результирующего сигнала на длительности символа 1010010, на фиг. 2 - результирующий сигнал s0(t) и модуль его спектра F0(f) на длительности символа 1010010, на фиг. 3 - модуль спектра результирующего сигнала в шумах Fx0(f) на длительности символа 1010010 и рассчитанные значения порогов, на фиг. 4 - спектры сигналов, формируемых в соответствии со способом ближайшего аналога и заявляемого способа, выполненных в одном масштабе.
Реализацию заявленного способа рассмотрим на примере использования кода с постоянным весом МТК-3. Данный код является двоичным блочным семиразрядным равномерным кодом с постоянным весом, равным трем.
Код МТК-3 имеет 35 разрешенных комбинаций [Григорьев В.А. Сигналы зарубежных систем электросвязи: Учебник. - СПб.: ВАС, 2007. - 368 с.].
Код МТК-3 гарантированно обнаруживает единичные ошибки, кроме ошибок смещения, когда число искаженных единиц всегда равно числу искаженных нулей. Д
Для кода МТК-3 отношение вероятности необнаруженных ошибок , к вероятности обнаруженных  будет равно
0
-5
Для вероятность ошибки элемента P=10 значение , т.е. одна необнаруженная ошибка приходится на каждые 58332 обнаруженных.
1 этап.
Выбирают код с постоянным весом для кодирования поднесущих частот таким образом, чтобы разрядность кода соответствовала числу доступных для передачи поднесущих частот. Для кода МТК-3 существует 35 разрешенных комбинаций, что позволяет кодировать 7 поднесущих частот 5-элементным бинарным кодом (всего будет 32 комбинации, что позволяет 3 комбинации кода МТК-3 не использовать).
2 этап.
Разбивают битовый поток на информационные блоки в соответствии с числом доступных комбинаций кода, определяющих его алфавит.
Например, в соответствии с кодом МТК-3 для битового потока
101110101000101001110101010101
получим блоки по 5 бит
10111 01010 00101 00111 01010 10101.
3 этап.
Ставят в соответствие каждому информационному блоку свою уникальную комбинацию элементов кода с постоянным весом, которая определяет передаваемый символ. Выбор указанного соответствия может быть произвольным. Главное, чтобы каждой разбитой на информационные блоки комбинации соответствовала своя уникальная комбинация выбранного кода с постоянным весом. Например, для кода МТК-3 для комбинации 2 этапа может быть предложено следующее соответствие.
4 этап.
Формируют сигналы в виде амплитудно-манипулированных колебаний на длительности каждого передаваемого символа только на тех поднесущих частотах, которым соответствуют информационные единицы, определяемые комбинацией элементов кода с постоянным весом. На фиг. 1 показан принцип кодирования поднесущих частот кодом 1010010. Вдоль оси частот f, схематично показаны спектры сигналов поднесущих частот, которые кодированы информационными символами «1».
5 этап.
Формируют результирующий частотно-манипулированный сигнал путем аддитивного сложения колебаний всех поднесущих частот (см. фиг 2).
Операции аддитивного сложения известны, см. например, Способ распознавания радиосигналов. Дворников С.В., Дворников А.С., Желнин С.Р., Оков И.Н., Сауков A.M., Симонов А.Н., Яхеев А.Ф. Патент РФ на изобретение №2356064 от 24.04.2007.
6 этап.
Принимают результирующий частотно-манипулированный сигнал на поднесущих частотах как независимые частотно-разнесенные амплитудно-манипулированные колебания. Процедуры приема и оцифровки сигнала известны, см. например, Способ распознавания радиосигналов. Аладинский В.А., Дворников С.В., Сауков A.M., Симонов А.Н. Патент РФ на изобретение №2261476 от 26.01.2004. Независимость приема достигается путем использования процедур фильтрации, реализация которых известна, см., например, Способ распознавания радиосигналов. Устинов А.А., Дворников С.В., Дворников С.С., Коноплев М.А., Сухаруков Г.А., Осадчий А.И. Патент РФ на изобретение №2430417 от 25.05.2010.
7 этап.
Оценивают качество сигнала на поднесущих частотах путем сравнения рассчитанного среднего значения мощности его спектральных компонент в пределах каждой из поднесущих частот, с рассчитанной величиной среднего значения мощности сигнала на длительности принятого символа на всех поднесущих частотах. Процедуры расчета среднего значения мощности спектральных компонент и их сравнения известны, см., например, Дворников С.В. Метод обнаружения сигналов диапазона ВЧ на основе двухэтапного алгоритма принятия решения. Научное приборостроение. 2005. Т. 15. №3. с. 114-119.
Среднее значение мощности спектральных компонент можно рассчитать по формуле
n
Здесь |F| дискретное представление спектра n=1…N, N - число дискретных отсчетов, в пределах которых происходит усреднение.
0
1
1
Соответственно, при расчете величины среднего значения мощности сигнала на длительности принятого символа, значение N определяет все дискретные спектральные отсчеты в пределах всей полосы канала ΔF, см. фиг. 2, а при расчете среднего значения мощности спектральных компонент в пределах каждой из поднесущих частот, значение N определяет те дискретные спектральные отсчеты, которые находятся в пределах полосы, выделяемой на данную поднесущую частоту. В качестве примера на фиг. 2 показана полоса канала 1-й поднесущей частоты ΔF. Поэтому при расчете среднего значения мощности спектральных компонент в пределах 1-й поднесущей частоты, значение N будет определять только спектральные поднесущие частоты, ограниченные полосой ΔF
8 этап.
Принимают решение о передаче информационной единицы в пределах каждой из поднесущих частот, если рассчитанное среднее значение мощности спектральных компонент в пределах поднесущей частоты превысит рассчитанную величину среднего значения мощности на длительности принятого символа на всех поднесущих частотах, в противном случае принимают решение о передаче информационного нуля.
Принцип принятия решения показан на фиг. 3.
0
пр
1
2
2
3
4
6
7
Здесь изображено: модуль спектра результирующего сигнала в шумах |Fx(ƒ)|, среднее значение мощности сигнала на длительности принятого символа, рассчитанное по формуле (1) и обозначенное как G (сплошная линия); средние значения мощности спектральных компонент в пределах каждой из поднесущей частоты, рассчитанные по формуле (1) и обозначенные как G, G, G, G, G, G, G (пунктирные линии).
1
3
пр
6
пр
2
пр
4
пр
5
пр
7
пр
В представленном примере, на поднесущих частотах 1, 3 и 6 передана информационная единица, т.к. G>G; G>G; G>G, а на поднесущих частотах 2, 4, 5 и 7 передан информационный ноль, т.к. G<G; G<G; G<G; G<G.
Эффективность использования канала, как отношение количества одновременно передаваемых битов к его полосе пропускания, для сигнала, формируемого в предлагаемом способе, составит 1/620.
П
В прототипе заявленного решения приводится пример передачи 5-элементного символа. Для этого потребовалась организация 8 подканалов, в каждом из которых была сформирована частотно-временная матрица 4×8, по 4 поднесущих частоты в подканале (всего 32 поднесущие частоты). При таком подходе эффективность использования канала, как отношение количества одновременно передаваемых битов к его полосе пропускания, для сигнала, формируемого в прототипе, также составит 1/620. Но при рассматриваемых условиях в пределах каждого подканала длительность сигнала уменьшится в 8 раз, что приведет к снижению энергии символа, приходящейся на каждый из субканалов. На фиг. 4 в качестве примера представлены модули спектров сигналов, формируемых в соответствии с прототипом |F(ƒ)| и в соответствии с заявленным способом |F|. Для наглядности спектры выполнены в одном масштабе. Поскольку решение о наличии информационного сигнала «1» или «0» принимается на уровне субканала (для способа ближайшего аналога) и субчастоты (для заявляемого способа), то очевидно, что для обеспечения равных условий в помехоустойчивости, для способа ближайшего аналога необходимо увеличить длительность излучения в пределах символа на каждой частоте подканала в 8 раз, что эквивалентно снижению скорости передачи в 8 раз.
Кроме того, в предлагаемом способе обеспечивается возможность обнаружения ошибки в принятой комбинации бит одного символа.
Таким образом, в предлагаемом способе достигается технический результат, заключающийся в повышении скорости передачи п-элементных сигналов с возможностью выявления ошибок на уровне приема сигнала (обнаружения/демодуляции).
Заявленное техническое решение может быть реализовано с использованием известного оборудования, технических и технологических средств и предназначено для частотно-разнесенной передачи дискретных сообщений с определением алгоритма формирования и детектирования радиосигналов, манипулированных по амплитуде и частоте.