СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ШИРОКОПОЛОСНЫМИ ПСЕВДОСЛУЧАЙНЫМИ СИГНАЛАМИ
METHOD OF INFORMATION TRANSFER WITH BROADBAND PSEUDORANDOM SIGNALS

Предлагаемое изобретение относится к области радиосвязи и может найти применение в системах передачи информации широкополосными псевдослучайными (шумоподобными) сигналами.
Способы передачи информации с использованием расширения частотного спектра путем дополнительной модуляции несущей частоты псевдослучайными последовательностями (ПСП) обладают рядом преимуществ таких, как повышенная помехоустойчивость к шумовым и узкополосным помехам, повышенная скрытность связи. Кроме того, они представляют дополнительные возможности дальнейшего повышения устойчивости к шумовым и узкополосным помехам за счет применения специальных устройств компенсации или режекции. По этой причине эти способы передачи информации получили широкое применение на практике и подробно освещены в отечественной и зарубежной литературе.
Так, например, известны способы передачи информации с использованием расширения частотного спектра путем дополнительной модуляции несущей частоты псевдослучайными последовательностями (ПСП), приведенные в следующих источниках информации:
«Шумоподобные сигналы в системах передачи информации», под ред. В.Б.Пестрякова, М., «Сов. радио», 1973 г., стр.145-150;
«Системы связи с шумоподобными сигналами», Л.Е.Варакин, М., «Радио и связь», 1985 г., где описаны системы с формирователями ПСП, стр.19, рис.1.11 и стр.20, рис.1.12;
«Широкополосные системы», Диксон Р.К., М., «Связь», 1979 г., стр.17-28;
«Способ приема-передачи информации» по А.С. №300946, заключающийся в следующем. На передающей стороне формируют фазированные между собой ортогональные ПСП, которые умножают на колебание несущей частоты и сдвигают по фазе на 90°, и на колебание несущей частоты, манипулированное по фазе на 0-180°. Затем результаты перемножения складывают, получая четырехфазный псевдослучайный сигнал. На приемной стороне принятые сигналы демодулируют и фильтруют. В результате выделяют колебание несущей частоты и колебание, манипулированное по фазе передаваемой дискретной информацией, затем из этих колебаний выделяют информационную разность фаз между сигналами.
Недостатком известных способов является неэффективное использование полосы частот, выделенной для системы связи.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ передачи информации, описанный в книге В.И.Борисов, В.М.Зинчук, А.Е.Лимарев, Н.П.Мухин, Г.С.Нахмансон «Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов манипуляцией несущей псевдослучайной последовательностью», М., «Радио и связь», 2003 г., стр.27, рис.1.4, 1.5, принятый за прототип.
Способ-прототип заключается в том, что на передающей стороне производится наложение псевдослучайной последовательности на информационный символ, причем ПСП, задаваемая генератором ПСП, манипулирует несущую передатчика. На приемной стороне принятый сигнал перемножается на ПСП, задаваемую аналогичным генератором ПСП (перемножение снимает манипуляцию ПСП с принятого сигнала), детектируется синхронным детектором, далее обрабатывается накопителем-интегратором, в котором осуществляется выигрыш в помехоустойчивости способа-прототипа за счет линейного сложения элементов сигнала и статистического сложения шумовой компоненты, и решающее устройство, которое определяет полярность принятого информационного сигнала, и с выхода решающего устройства поступает потребителю.
0
Минимальная длительность элемента ПСП равна τ, и для нее выбирается полоса пропускания F передатчика и приемника из соотношения
n1
Огибающая спектра такого импульса, использующего всю выделенную системе (радиоканалу) полосу F, приведена на фиг.2 - кривая 2а, а средняя (несущая) частота излучения, расположенная в середине полосы частот F, обозначена f.
0
0
0
0
τ0
0
0
Анализ структуры ПСП показывает, что посылки минимальной длительности τ занимают в цикле ПСП примерно 25%, а основное количество занимают блоки однополярных импульсов длительностью 2τ, 3τ,…nτ, где n - степень порождающего полинома ПСП, равная разрядности генерирующего ПСП регистра. Для справки приводим данные для ПСП с n≥6: однополярные блоки импульсов (т.е. блоки, состоящие из 1 и 0) длительностью 2 составляют ~22% времени от общей длительности ПСП, соответственно 3τ ~ 21%, 4τ ~ 12% и т.д. («Шумоподобные сигналы в системах передачи информации», под ред. В.Б.Пестрякова, М., «Сов. радио», 1973 г., стр.113).
Естественно, что ширина спектра излучения сигналов, соответствующих блокам однополярных импульсов ПСП, будет
0
Так, при излучении блока однополярных импульсов длительность 3τ (k=3)  огибающая спектра излучаемого блока показана на фиг.2, кривая 2б. Из графика фиг.2 видно, что в пределах выделенной системе полосы частот F имеются участки, свободные от спектральных составляющих излучаемого сигнала.
и1
Таких равноценных участков в полосе частот F два, нижний (левый) и верхний (правый) относительно несущей f. На фиг.2 верхний (правый) участок выделен жирной линией, его полоса составляет значение
Для любой радиосвязи существует понятие выделенной данной системе (радиоканалу, радиотракту) полосы частот, в которой располагается спектр излучаемого сигнала. Но ширина спектра излучаемого сигнала зависит от вида передаваемой информации и не является постоянной величиной. В технике радиосвязи есть понятие текущего спектра, который существует в данный момент времени и отражает вид передаваемой информации. Для нашего случая широкополосного сигнала (ШПС) существует жесткая однозначная связь между длительностью излучаемого в данный момент импульса и шириной его частотного спектра. Эта связь определяется соотношением
0
0
0
0
0
0
0
В псевдослучайной последовательности (ПСП) в потоке импульсов существуют импульсы самой короткой длительности τ и блоки однополярных импульсов, когда подряд следуют импульсы одной полярности (+) и (-), т.е. (1 или 0) кратные длительности 2τ, 3τ…nτ, где n - разрядность генератора ПСП. Т.к. разрядность применяемых ПСП в нашей технике достигает значений 8-12 единиц, то естественно определено условие появления блоков, длительность которых гораздо больше τ, и они занимают подавляющую часть времени передачи. В то же время выделенная данной системе связи полоса частот F определена и задана соотношением  где τ- длительность самого короткого импульса ПСП. Отсюда неэффективность использования выделенной полосы частот - спектр излучаемого сигнала большую часть времени занимает полосу, меньшую, чем при излучении длительности τ, значит, излучаемым сигналом не занята значительная часть выделенной полосы частот, т.е. свободна от спектральных составляющих излучаемого сигнала. Таким образом, при работе ШПС в выделенной для системы связи полосе частот F в определенные моменты времени, обусловленные блоками однополярных импульсов, есть значительные участки полосы частот, освобожденные от спектральных составляющих сигнала.
Недостатком способа-прототипа является неэффективность использования полосы частот, выделенной системе связи.
0
н1
0
0
Для устранения указанного недостатка в способе передачи информации широкополосными псевдослучайными сигналами, заключающемся в том, что на передающей стороне основной системы связи производят наложение на информационный сигнал основной псевдослучайной последовательности (ПСП), задаваемой генератором ПСП с минимальной длительностью импульса τ, причем этой ПСП модулируют несущую частоту основного передатчика f, расположенную в средине выделенной полосы частот F, на приемной стороне принятый сигнал в основном приемнике перемножают на основную ПСП, задаваемую аналогичным генератором ПСП, детектируют синхронным детектором, обрабатывают в накопителе-интеграторе, определяют полярность принятого информационного сигнала в решающем устройстве, с выхода которого снимают информацию потребителю, согласно изобретению, в моменты времени передачи основным передатчиком блоков однополярных импульсов основной ПСП длительности ≥3τ осуществляют передачу дополнительной информации, излучаемой дополнительным передатчиком, несущую частоту которого выбирают из соотношения  а минимальную длительность импульса излучения дополнительного передатчика выбирают равной 3τ, причем излучение дополнительного передатчика осуществляют синхронно и синфазно с излучением упомянутых блоков однополярных импульсов основной ПСП, а на приемной стороне прием этой информации осуществляют дополнительным приемником.
0
0
0
0
0
0
Предлагаемый способ заключается в том, что в структуре ПСП производят выделение интервалов времени, на которых группируются блоки однополярных посылок с длительностью, равной или большей, например, 3τ, 4τ…, формируют дополнительный сигнал, спектр которого занимает полосу не более освободившегося участка полосы (т.е. длительность самого короткого импульса равна 3τ), обусловленной длительностью выбранных блоков однополярных посылок основной ПСП. Производят выделение интервалов времени, на которых группируются блоки однополярных посылок с длительностью, равной или большей, например, 3τ, 4τ…, формируют дополнительный сигнал, спектр которого занимает полосу не более освободившегося участка полосы (т.е. минимальная длительность импульса дополнительного передатчика равна 3τ), обусловленной длительностью выбранных блоков однополярных посылок ПСП. Затем синхронно и синфазно подают этот модулирующий сигнал на дополнительный передатчик, несущая частота которого расположена в средине освободившегося участка полосы частот (фиг.2), и производят его передачу одновременно с передачей основной информации. Условие синхронной и синфазной работы обоих передатчиков, а именно передатчика с дополнительным модулирующим сигналом, устраняет во времени перекрытие передаваемых спектров основного информационного сигнала и дополнительного модулирующего сигнала.
На приемной стороне системы связи это условие синхронной и синфазной согласованности в работе передаваемой основной информации и дополнительного модулирующего сигнала обеспечивает распределение их спектров и обеспечивает прием дополнительного модулирующего сигнала дополнительным приемником.
Посредством этого дополнительного модулирующего сигнала производят передачу-прием дополнительной информации или дублируют основную информацию, что позволяет повысить ее достоверность.
0
На фиг.1а показан фрагмент ПСП, на которой работает система связи. На фиг.1б знаками * показаны участки фрагмента ПСП, на которых группируются блоки однополярных импульсов длительностью ≥3τ. Т.к. программа работы генератора ПСП нам известна, то выделение блоков однополярных импульсов требуемой длины не представляет трудности, может быть осуществлена, например, при помощи временных селекторов.
На фиг.2 показано правое расположение настройки дополнительного передатчика, т.е.
0
н1
Кривая 2а показывает огибающую спектра при излучении импульса ПСП минимальной длительности τ. Ширина спектра занимает всю выделенную данной системе связи полосу частот F, средина которой является несущей частотой f основного передатчика.
0
Кривая 2б показывает огибающую спектра излучаемого блока однополярных импульсов длительностью 3τ. Видно, что полоса частот этого спектра в три раза меньше выделенной полосы частот, выделенной системе связи.
0
Жирной линией в правой (верхней) части полосы F показан участок полосы, свободный от спектральных составляющих при излучении основным передатчиком блока однополярных импульсов длительностью, равной 3τ.
Ширина этого свободного участка полосы частот равна .
0
н1
н2
Кривая 2г показывает огибающую спектра длительностью 3τ, излучаемого дополнительным передатчиком. Ширина этого спектра как раз соответствует ширине освобожденного от излучения основного передатчика участка полосы F. Средняя частота освобожденного участка полосы, равная  является несущей частотой дополнительного передатчика, f и f соответственно несущие частоты передатчика основной информации и дополнительного передатчика дополнительного модулирующего сигнала.
0
н2
Естественное и очевидное требование для передачи дополнительной информации это то, что длительность минимальной излучаемой посылки (блока однополярных импульсов) должна быть равной 3τ. При этом условии и выбранной f ширина спектра излучения сигнала дополнительной информации располагается на участках выделенной полосы F свободных от спектральных составляющих сигнала основного передатчика. Огибающая спектра дополнительного передатчика при этом условии показана как кривая 2г на фиг.2.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет более эффективно использовать выделенную системе связи полосу частот и предоставляет больше услуг потребителю.
Предлагаемый способ может быть реализован известными техническими средствами для передачи основной и дополнительной информации при помощи передатчика и приемника шумоподобных сигналов, которые известны, например, из книги «Системы связи с шумоподобными сигналами», Л.Е.Варакин, М., «Радио и связь», 1985 г., стр.19, рис.1.11 и стр.20, рис.1.12.