СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ С ПОМОЩЬЮ ШУМОПОДОБНЫХ СИГНАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF TRANSMITTING INFORMATION USING PSEUDONOISE SIGNALS AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к технике связи и передачи данных и может использоваться для передачи дискретной информации широкополосным шумоподобным сигналом при низком отношении сигнал-шум в линии связи, в том числе меньшем единицы.
on
Известны преимущества широкополосных шумоподобных сигналов (ШПС) [Скляр, Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2-е издание.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом "Вильямс", 1403. - 1104 с.: ил. - Парал. тит. англ. 2003]. В распространенных системах связи с ШПС широко используют фазовую модуляцию (ФМ) или фазоразностную модуляцию (ФРМ), как наиболее эффективную с точки зрения помехозащищенности [Окунев Ю.Б. Цифровая передача информации фазоманипулированными сигналами. М.: Радио и связь, 91, - 196 с.]. Приемная часть таких систем работает по принципу коррелятора, в котором вычисляется скалярное произведение принятого сигнала х(t) и некоторого опорного сигнала х(t):
где Т - длительность передаваемого символа.
on
on
Различные методы приема и обработки сигналов в корреляционном приемнике, по существу, отличаются способом формирования опорного сигнала х(t). В принципе, наилучшей чувствительностью обладают схемы когерентного приема, когда х(t) генерируется в приемнике с помощью специального генератора, однако такой метод требует совершенной синхронизации, которая достигается либо за счет повышения мощности передачи, т.е. по сути, за счет ухудшения той же чувствительности, либо за счет существенного усложнения схемы. Кроме того, система оказывается весьма чувствительной к искажениям формы сигнала в линии связи.
on
Задача приема и обработки ШПС во многом упрощается в автокорреляционном приемнике, в котором х(t) формируют из принятого сигнала х(t) путем его задержки на определенный интервал τ.
Известен способ передачи информации с использованием фазоразностной модуляции на передающей стороне и автокорреляционного приема на приемной стороне [А.с. №177471 Рахнович Л.М. Способ детектирования фазоманипулированных сигналов, переданных методом двукратной относительной фазовой манипуляции. М.: ЦНИИПИ, 1966]. Недостатком этого способа является присутствие помех в результатах перемножений, предшествующих интегрированию со сбросом.
Известен способ [патент №2168869, Скрипкин А.А., Щербачев В.А. Способ демодуляции сигналов с относительной фазовой манипуляцией и устройство для его реализации. 2001], в котором устранены дополнительные помехи, возникающие в результатах перемножений, предшествующих интегрированию со сбросом. К недостаткам обоих способов следует отнести невозможность работы с m - мерным алфавитом, а также то, что ошибка в одном принятом символе распространяется на два соседних символа.
Известен автокорреляционный способ передачи цифровой информации, получивший название метода Ланге-Мюллера и выбранный в качестве прототипа [Ланге Ф. Корреляционная электроника. Судпромгиз 63. (Способ-прототип)]. В этом способе используется корреляционно-временная модуляция, согласно которой выходной сигнал передатчика формируют как сумму некоторого ШПС s(t) и его задержанной копии s(t-τ), где
τ - интервал, присвоенный передаваемому символу.
Полученный таким образом сигнал s(t)+s(t-τ) передают по линии связи. На приемной стороне этот сигнал задерживают на время τ, а далее пару сигналов s(t)+s(t-τ) и s(t-τ)+s(t-2τ) используют для вычисления автокорреляции:
Полученное значение Y(τ) сравнивают с порогом и в случае превышения принимают решение о том, что был передан символ, соответствующий данному τ.
Сопоставив различным информационным символам разные значения τ, можно распространить вышеописанный способ на передачу символов алфавита требуемой размерности m.
Данному способу-прототипу присущ ряд недостатков. Во-первых, в выражении (2) только второе слагаемое дает полезный эффект, тогда как остальные носят характер мешающего шума, причем эта шумовая составляющая никак не связана с посторонними шумами, а порождена самим сигналом. Во-вторых, на приемной стороне используется лишь часть  энергии принятого сигнала, тогда как его полная энергия равна:
Техническим результатом предложенного изобретения является повышение помехоустойчивости за счет исключения помеховых составляющих, порождаемых в способе-прототипе самим сигналом, а также за счет более полного использования энергии принимаемого сигнала.
i
i
i
Технический результат достигается тем, что передаваемый символ а представляют периодической псевдошумовой последовательностью, полученной путем n- кратного повторения ШПС, причем период повторения Т равен , т.е. модулируемым параметром является период ШПС. Соответственно, на приемной стороне вычисляют совокупность значений автокорреляции
i
i
max
j
j
j
Далее полученные значения Y(T) сравнивают между собой на предмет нахождения максимального значения Y(T)=Y(Т) и принимают решение о том, что был передан символ a, соответствующий найденному Т.
j
j
j
Покажем, что предложенный способ лишен недостатков, отмеченных в способе-прототипе. Действительно, если был передан символ а, которому соответствует период повторения Т, то на приемной стороне будет наблюдаться максимум Y(T), который примет значение:
j
Сравнивая выражения (4) и (2), легко видеть, что в предложенном способе не возникает паразитных шумовых составляющих, а энергия принятого сигнала используется практически полностью, если число повторов n достаточно велико.
Предложенный способ имеет и другие достоинства. Во-первых, период повторения сложного сигнала является параметром, наименее подверженным влиянию всякого рода искажающих факторов в линии связи. Во-вторых, детектирование периодического сигнала на фоне шума представляет собой техническую задачу, легко решаемую современными вычислительными средствами. В-третьих, предложенный способ позволяет без перенастройки системы связи набрать необходимую энергию символа путем простого увеличения числа повторов ШПС. Наконец, предложенный способ связи легко вписывается в наиболее прогрессивные схемы передачи по линии связи с использованием высокочастотного несущего сигнала, такие как передача с подавленной несущей или даже однополосная передача.
Существуют устройства связи, реализующие автокорреляционный прием и обработку цифровой информации [А.с. №451166, Щелкунов К.Н., Окунев Ю.Б., Бабель Е.С., Гончаров В.Н. Система связи с фазоразностной модуляцией первого порядка. М.: ЦНИИПИ, 1975; А.с. №543194, Щелкунов К.Н., Бабель Е.С., Гончаров В.Н. Система связи с фазоразностной модуляцией первого порядка. М.: ЦНИИПИ, 1977; Патент №2168869, Скрипкин А.А., Щербачев В.А. Способ демодуляции сигналов с относительной фазовой манипуляцией и устройство для его реализации 2001. (Устройство-прототип)]. Они работают в режиме несущей, начальная фаза которой модулируется цифровым информационным сигналом таким образом, что она меняется от символа к символу, но в пределах длительности одного символа Т остается неизменной. Обычно используют двоичную фазовую манипуляцию со значением фазы 0 и π. Недостатком устройства, описанного в А.с. №451166, является недостаточно высокая помехоустойчивость к аддитивным шумам из-за ухудшения энергетических соотношений в связи с необходимостью обработки лишь половины информационных посылок. Этот недостаток устранен в устройстве, описанном в А.с. №543194, однако в нем присутствуют помехи в результатах перемножений, предшествующих интегрированию со сбросом. Эти помехи устранены в устройстве, описанном в патенте №2168869, которое является наиболее близким к предлагаемому устройству и выбрано нами в качестве прототипа.
В этом устройстве передатчик осуществляет фазоразностную манипуляцию первого порядка (ФРМ1), а в приемнике принятый сигнал разлагают с помощью опорного генератора на синфазную и квадратурную составляющие относительно центральной частоты входных сигналов, затем фильтруют эти составляющие в полосе низких частот, после чего подвергают их сдвигу на  и полученные две пары НЧ сигналов подают на дальнейшую обработку в двух квадратурных корреляторах. Далее выходные сигналы корреляторов поступают на схему, реализующую алгоритм приема ФРМ второго порядка, которая формирует сигнал для решающего устройства с учетом n-й, (n-1)-й и (n-2)-й информационных посылок. В целом, приемник устройства-прототипа содержит восемь перемножителей, опорный генератор, фазовращатель на , пять элементов памяти на половину длительности посылки Т, два интегратора со сбросом, три сумматора, решающее устройство, устройство синхронизации, два фильтра нижних частот (ФНЧ), вычитающее устройство.
Достоинство устройства-прототипа состоит в том, что оно, во-первых, обеспечивает устойчивость к нестабильности частоты сигнала, а во-вторых, за счет понижения частоты во входной части приемника допускает цифровую обработку принятого сигнала с помощью современного цифрового сигнального процессора (ЦСП).
Недостатком устройства-прототипа является то, что приемник имеет много перемножителей, включенных последовательно, что отрицательно сказывается на динамическом диапазоне, учитывая ограниченные возможности существующих вычислительных средств. Второй недостаток - это то, что ошибка в одном принятом символе распространяется на два соседних символа. Кроме того, устройство-прототип имеет ограниченные функциональные возможности: устройство работает только с двоичными символами и не может быть использовано в случае m - мерного алфавита, а также не может быть непосредственно использовано для предложенного способа кодировки символов путем модуляции периода повторения ШПС.
Техническим результатом предложенного устройства является расширение динамического диапазона, повышение устойчивости к искажениям формы сигнала в линии связи, снижение вероятности символьных ошибок, а также расширение функциональных возможностей прототипа: возможность работы с m - мерным алфавитом, возможность использования ШПС, возможность передачи с подавленной несущей или даже однополосной передачи, возможность использования предложенного способа модуляции периода повторения ШПС.
Технический результат достигается тем, что в состав передатчика вводится постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), содержащее псевдослучайную последовательность (ПСП), выход которого через цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и сглаживающий ФНЧ подключается ко второму входу балансного модулятора, тогда как первый вход балансного модулятора подключен к генератору несущей частоты, а также устройство генерации адреса, тактовый вход которого через делитель частоты подключен к выходу того же генератора несущей частоты, а информационный вход подключен к источнику передаваемых символов, тогда как выход устройства генерации адреса подключен к адресному входу ПЗУ, при этом выход балансного модулятора через устройство согласования подключен к линии связи.
i
i
i
i
Приемная часть предлагаемого устройства реализуется схемой, содержащей блок согласования с линией связи, где сигнал улавливается из линии связи, усиливается усилителем, снабженным схемой автоматической регулировки усиления (АРУ) и фильтруется от помех, расположенных вне полосы сигнала, выход блока согласования подключен к первым входам двух перемножителей, вторые входы которых подключены к общему опорному генератору, при этом второй вход первого перемножителя связан с опорным генератором непосредственно, а второй вход второго перемножителя через фазовращатель, выход первого перемножителя через последовательно включенные фильтр нижних частот и аналогово-цифровой преобразователь подключен к синфазным входам, а выход второго перемножителя через второй фильтр нижних частот и второй аналогово-цифровой преобразователь - к квадратурным входам m-идентичных по структуре каналов обработки принятого сигнала, каждый из которых содержит четыре перемножителя, два элемента памяти на длительность Т, сумматор, вычитатель и два интегратора, причем синфазный вход i-го канала подключен непосредственно к первым входам первого и третьего перемножителей канала, квадратурный вход i-го канала подключен непосредственно к первым входам второго и четвертого перемножителей канала, тогда как вторые входы первого и второго перемножителей канала подключены к синфазному входу канала через общий элемент памяти на длительность T, а вторые входы третьего и четвертого перемножителей канала подключены к квадратурному входу канала через второй элемент памяти на длительность Т, выходы первого и четвертого перемножителей канала через сумматор соединены со входом первого интегратора канала, а выходы второго и третьего перемножителя канала через вычитатель соединены со входом второго интегратора канала. Согласно изобретению приемная часть устройства содержит m каналов, настроенных на различные задержки Т, причем в каждом канале использованы не интеграторы со сбросом, а интеграторы со скользящим окном, выходы интеграторов подключены ко второму сумматору канала через блоки выделения модуля, а выход второго сумматора является выходом i-го канала и подключается к соответствующему входу решающего устройства.
На фиг.1 приведена структурная схема устройства передачи, а на фиг.2 - устройства приема, с помощью которых реализуется предложенный способ передачи информации.
Согласно предлагаемому способу:
i
i
i
1. Передаваемый символ а представляют периодической псевдошумовой последовательностью, полученной путем n - кратного повторения ШПС, причем период повторения Т равен , где Т - длительность передачи одного символа.
2. Сформированный таким образом символ передают по линии связи.
3. На приемной стороне сигнал усиливают и фильтруют в нужной полосе частот.
4. Для усиленного и отфильтрованного сигнала вычисляют совокупность значений автокорреляции
i
i
max
5. Полученные значения Y(T) сравнивают и находят максимальное из них Y(T)
j
j
6. Присваивают принятому символу то значение а, для которого Y(T) оказалось максимальным.
Устройство, реализующее предложенный способ передачи информации, содержит передающую (фиг.1) и приемную часть (фиг.2).
На передающей стороне (см. фиг.1) в состав передатчика вводится постоянное запоминающее устройство 1, содержащее псевдослучайную цифровую последовательность, выход которого через ЦАП 2 и сглаживающий ФНЧ 3 подключается ко второму входу балансного модулятора 4, тогда как первый вход балансного модулятора подключен к генератору несущей частоты 5, а также устройство генерации адреса 6, тактовый вход которого через делитель частоты 7 подключен к выходу того же генератора несущей частоты 5, а информационный вход подключен к источнику передаваемых символов, тогда как выход устройства генерации адреса 6 подключен к адресному входу ПЗУ 1, при этом выход балансного модулятора через устройство согласования 8 подключен к линии связи.
i
i
i
i
Приемная часть предлагаемого устройства связи реализуется схемой, содержащей блок согласования с линией связи 9, выход которого подключен к первым входам двух перемножителей 10, 11, вторые входы которых подключены к общему опорному генератору 12, при этом второй вход перемножителя 10 связан с опорным генератором непосредственно, а второй вход перемножителя 11 - через фазовращатель 13, выход перемножителя 10 через последовательно включенные ФНЧ 14 и АЦП 15 подключен к синфазным входам, а выход перемножителя 11 через ФНЧ 16 и АЦП 17 - к квадратурным входам m-идентичных по структуре каналов обработки принятого сигнала, каждый из которых содержит два элемента памяти 18, 19 на длительность Т, четыре перемножителя 20, 21, 22, 23, вычитатель 24, сумматор 25 и два интегратора 26, 27, причем синфазный вход i-го канала подключен непосредственно к первым входам перемножителей 20, 22, квадратурный вход i-го канала подключен непосредственно к первым входам перемножителей 21, 23, тогда как вторые входы перемножителей 12 и 13 подключены к синфазному входу канала через общий элемент памяти 10 на длительность T, а вторые входы перемножителей 20 и 21 подключены к квадратурному входу канала через второй элемент памяти 19 на длительность Т, выходы перемножителей 20 и 23 через сумматор 25 соединены со входом первого интегратора канала 26, а выходы перемножителей 21 и 22 через вычитатель 24 соединены со входом второго интегратора канала 27. Согласно изобретению приемная часть устройства содержит m каналов, настроенных на различные задержки Т, причем в каждом канале использованы не интеграторы со сбросом, а интеграторы со скользящим окном, выходы интеграторов через блоки выделения модуля 28,29 подключены ко второму сумматору канала 30, а выход сумматора 30 является выходом i-го канала и подключен к соответствующему входу решающего устройства 31.
i
i
Рассмотрим работу блоков устройства при передаче символов. На передающей стороне в ПЗУ 1 хранится псевдослучайная цифровая последовательность. Информационный символ а, подлежащий передаче, подается на вход устройства генерации адреса 6, которое считывает из ПЗУ 1 фрагмент ПСП соответствующей длины, причем осуществляет повторное считывание этого фрагмента соответствующее число раз n.
0
i
Работа устройства генерации адреса 6 тактируется через делитель частоты 7 самим генератором несущей 5, тем самым обеспечивается целое число периодов несущей частоты f на периоде повторения расширяющего ШПС Т.
Цифровой ШПС с выхода ПЗУ преобразуется в аналоговую форму с помощью ЦАП 2, фильтруется сглаживающим ФНЧ 3 и поступает на второй вход балансного модулятора 4, на первый вход которого подается колебание несущей частоты с того же генератора 5. Таким образом, сигнал на выходе балансного модулятора имеет вид:
i
где A(t) - периодическая псевдошумовая последовательность с периодом Т. Этот сигнал передается в линию связи через устройство согласования с линией связи 8.
При прохождении по линии связи сигнал может испытать искажения, поэтому сигнал на входе приемника имеет вид:
где B(t) в общем случае отлично от A(t). Важно, однако, то что B(t) сохраняет ту же периодичность.
Поскольку начальная фаза φ при автокорреляционном приеме не играет роли, будем полагать ее для простоты дальнейших выкладок равной нулю.
0
На приемной стороне сигнал (6) проходит через устройство согласования с линией связи 9, в котором фильтруются помехи, расположенные вне полосы сигнала, а рабочая полоса усиливается усилителем с АРУ. Затем сигнал попадает на аналоговые перемножители 10, 11. На вторые входы перемножителей приходят колебания, формируемые генератором 12 и фазосдвигающей цепью 13. Частота колебаний приблизительно равна ω, а фаза сдвинута на четверть периода колебаний, относительно друг друга:
0
2cos(ω+Δω))t
0
2sin(ω+Δω))t
Δω - разница между несущей частотой и частотой опорного генератора.
На выходе перемножителей 10, 11 получаем следующие сигналы:
Далее блоки 14, 16 аналоговых фильтров отфильтровывают колебания с удвоенной частотой, и на их выходах сигналы можно записать как:
B(t)cosΔωt
i
С выхода ФНЧ 14, 16 сигналы приходят на АЦП 15, 17, где преобразуются в цифровую форму, и дальнейшая обработка происходит в цифровом виде. Оцифрованные сигналы (8) поступают на входы m одинаковых по структуре каналов автокорреляционного приема, каждый из которых настроен на свою длительность задержки Т.
i
Сигналы (8), поступившие в канал, задерживаются в нем с помощью элементов памяти 18, 19, а затем полученные две пары сигналов (прямые и задержанные) подаются на входы перемножителей 20-23. Все дальнейшие выражения относятся к каналу, настроенному на переданный символ а.
на 20
на 21
на 22
на 23
После суммирования и вычитания соответствующими блоками 25, 24 получим
i
В следующих блоках 26, 27 происходит интегрирование полученных результатов за время (T-Т):
S
где E - энергия символа.
i
S
Блоки 28, 29 выполняют операцию нахождения модуля, а блок 30 суммирует значения модулей. Выходной сигнал блока 30 Y(T) является результатом обработки принятого символа i-м каналом. Если учесть что Е, характеризующая энергию, всегда положительна, можно записать:
i
то есть на выходе канала, настроенного на символ а, результат обработки равен энергии сигнала, умноженной на периодическую функцию, минимальное значение которой равно 1, а максимальное , при любых Δω - сдвигах между частотой, несущей на предающей стороне, и частотой опорного генератора на приемной стороне.
i
j
Выходы всех каналов подключены ко входам решающего устройства 31, которое сравнивает все Y(T) между собой и присваивает принятому символу то значение а, которое соответствует каналу с максимальным откликом.
i
Для обеспечения тактовой синхронизации, решающему устройству необходимо знать значение автокорреляционной функции Y(T) в каждый момент времени. Это обеспечивается применением интеграторов со скользящим окном, что значительно упрощает решение задачи тактовой синхронизации.
На момент подачи заявки реализована модель устройства, выполняющего передачу сигнала, модулированного информационной последовательностью по предложенному способу в линию связи и устройство приема и демодуляции этого сигнала из линии связи, причем алгоритм, следующий после блоков 15 и 17, реализован в цифровом виде в среде MATLAB. Эксперименты подтвердили повышение помехоустойчивости по сравнению с методом Ланге-Мюллера, а также инвариантность способа передачи данных к смещению частоты несущей, возможность работы с отношением сигнал-шум в линии связи меньше единицы.
Источники информации
1. Скляр, Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2-е издание.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом "Вильямс", 1403. - 1104 с.: ил. - Парал. тит. англ. 2003.
2. Окунев Ю.Б. Цифровая передача информации фазоманипулированными сигналами. М.: Радио и связь, 91, - 196 с.
3. А.с. №177471, Рахнович Л.М. Способ детектирования фазоманипулированных сигналов, переданных методом двукратной относительной фазовой манипуляции. М.: ЦНИИПИ, 1966.
4. Патент №2168869, Скрипкин А.А., Щербачев В.А. Способ демодуляции сигналов с относительной фазовой манипуляцией и устройство для его реализации, 2001. (Устройство-прототип).
5. Ланге Ф. Корреляционная электроника. Судпромгиз 63. (Способ-прототип).
6. А.с. №451166, Щелкунов К.Н., Окунев Ю.Б., Бабель Е.С., Гончаров В.Н. Система связи с фазоразностной модуляцией первого порядка. М.: ЦНИИПИ, 1975.
7. А.с. №543194, Щелкунов К.Н., Бабель Е.С., Гончаров В.Н. Система связи с фазоразностной модуляцией первого порядка. М.: ЦНИИПИ, 1977.