СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ШУМОПОДОБНЫХ ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ
NOISE-LIKE PHASE-MANIPULATED SIGNALS GENERATING METHOD

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в системах радиосвязи с шумоподобными сигналами для повышения их помехоустойчивости.
Применение шумоподобных сигналов обеспечивает высокую помехоустойчивость систем радиосвязи к воздействию целого ряда помех, создаваемых средствами радиоэлектронного подавления (РЭП). К ним, например, относятся прицельные и заградительные помехи [1, стр. 16]. Для нарушения радиосвязи мощность таких помех должна на один-два порядка превышать мощность передаваемого сигнала.
В то же время имитирующие помехи, применяемые средствами РЭП [1, стр. 14], могут нарушать радиосвязь при мощности помехового сигнала, соизмеримой с мощностью передаваемого сигнала.
Рассмотрим воздействие имитирующих помех на системы радиосвязи, использующие шумоподобные сигналы. Для обнаружения сигнала и синхронизации приемника с передатчиком используется, как правило, непрерывно передаваемый синхронизирующий шумоподобный сигнал [2]. Он представляет собой сигнал несущей частоты, манипулированный по фазе синхронизирующей периодической двоичной псевдослучайной последовательностью (синхронизирующей ПСП). Имитирующая помеха содержит такой же синхронизирующий сигнал, но с изменяющейся во времени задержкой относительно передаваемого сигнала. В результате задержки синхронизирующих ПСП помехи и сигнала периодически совпадают. Схема слежения за задержкой синхронизирующей ПСП сигнала в приемном устройстве (СС3), называемая также схемой автоподстройки времени (АПВ) [3, стр. 302], в такие моменты совпадения может переключиться на слежение за задержкой синхронизирующей ПСП помехи и рассинхронизироваться с передатчиком. Вероятность такого события тем ниже, чем ниже частота совпадений задержек сихронизирующих ПСП помехи и сигнала, которая, в свою очередь, уменьшается при увеличении длительности периода повторения синхронизирующей ПСП.
Отсюда следует, что для повышения помехоустойчивости системы радиосвязи к имитирующим помехам можно увеличить период повторения синхронизирующей ПСП. Но так как синхронизирующая ПСП используется для обнаружения сигнала [2], увеличение её периода повторения, а следовательно, количества элементов, неизбежно приводит к увеличению времени поиска сигнала и, соответственно, ухудшению тактико-технических характеристик системы радиосвязи.
Задачей изобретения является снижение вероятности срыва синхронизации при воздействии имитирующих помех без увеличения периода повторения синхронизирующей ПСП. Достигаемый при использовании изобретения результат - повышение помехоустойчивости системы радиосвязи.
Наиболее близким по количеству совпадающих признаков к заявленному способу является способ формирования шумоподобных фазоманипулированных сигналов, описанный в [4].
Согласно этому способу формируют сигналы несущей и тактовой частот, из сигнала тактовой частоты формируют две квазиортогональные или ортогональные псевдослучайные последовательности, одна из которых предназначена для синхронизации (СП), а вторая - для передачи информации (ИП). Последовательности фазируют между собой, после чего ИП циклически сдвигают относительно СП на количество элементов, определяемое цифровыми данными, поступающими от источника информации за время, равное периоду псевдослучайных последовательностей. Циклически сдвинутую последовательность ИП суммируют по модулю два с дополнительным битом информации и манипулируют ею по фазе сигнал несущей частоты. Формируют второй сигнал несущей частоты, сдвинутый относительно первого по фазе на девяносто градусов, который манипулируют по фазе последовательностью СП и суммируют с манипулированным первым сигналом несущей частоты.
Недостатком способа-прототипа является то, что формируемые сигналы не обеспечивают высокую помехоустойчивость системы радиосвязи при воздействии имитирующих помех.
Для решения поставленной в изобретении задачи в способе формирования шумоподобных фазоманипулированных сигналов, заключающемся в том, что формируют два сигнала несущей частоты, сдвинутые между собой по фазе на девяносто градусов, и сигнал тактовой частоты, из которого формируют две квазиортогональные двоичные псевдослучайные последовательности (ПСП), сфазированные между собой, синхронизирующую и информационную, причем синхронизирующая ПСП является периодической, а на каждом периоде её повторения информационную ПСП циклически сдвигают относительно синхронизирующей ПСП на количество элементов, определяемое передаваемым информационным символом, согласно изобретению формируют дополнительную ПСП путем непрерывного повторения укороченной на один элемент информационной ПСП, нумеруют периоды повторения синхронизирующей ПСП, один из сигналов несущей частоты манипулируют по фазе синхронизирующей ПСП на четных периодах ее повторения, а в остальное время манипулируют по фазе последовательностью, которую формируют поэлементным сложением по модулю два синхронизирующей ПСП и дополнительной ПСП, второй сигнал несущей частоты манипулируют по фазе последовательностью, которую формируют поэлементным сложением по модулю два циклически сдвинутой информационной ПСП, дополнительной ПСП и задержанной на целое число периодов тактовой частоты синхронизирующей ПСП, суммируют фазоманипулированные сигналы.
Способ формирования шумоподобных сигналов заключается в последовательном выполнении следующих операций:
- Формируют два сигнала несущей частоты, сдвинутые между собой по фазе на девяносто градусов.
- Формируют сигнал тактовой частоты.
- Из сигнала тактовой частоты формируют две квазиортогональные двоичные псевдослучайные последовательности (ПСП), сфазированные между собой, синхронизирующую и информационную.
- Синхронизирующая ПСП является периодической, а информационную ПСП на каждом периоде повторения синхронизирующей ПСП циклически сдвигают относительно синхронизирующей ПСП на количество элементов, определяемое передаваемым информационным символом.
- Формируют дополнительную ПСП путем непрерывного повторения укороченной на один элемент информационной ПСП. Это означает, что дополнительная ПСП является периодической, а ее период повторения на один период тактовой частоты меньше периода повторения синхронизирующей ПСП.
- Нумеруют периоды повторения синхронизирующей ПСП. При этом достаточно двоичной нумерации 0, 1, 0, 1, …. Периоды с номером 0 -четные, а с номером 1 -нечетные.
- Один из сигналов несущей частоты манипулируют по фазе синхронизирующей ПСП во время формирования её четных периодов. В остальное время его манипулируют по фазе последовательностью, которую формируют поэлементным сложением по модулю два синхронизирующей ПСП и дополнительной ПСП. В результате получается сложный синхронизирующий сигнал, обеспечивающий высокую помехоустойчивость системы радиосвязи при воздействии имитирующих помех.
- Второй сигнал несущей частоты манипулируют по фазе последовательностью, которую формируют поэлементным сложением по модулю два циклически сдвинутой информационной ПСП, дополнительной ПСП и задержанной на целое число периодов тактовой частоты синхронзирующей ПСП. Сформированный таким образом информационный сигнал позволяет уменьшить вероятность ошибки при приеме информации в радиоканалах с многолучевым распространением сигналов за счет декорреляции сигналов с различными задержками. Также уменьшается вероятность ошибки при воздействии имитирующих помех, так как ошибка может произойти только при одновременном совпадении задержек дополнительной ПСП и синхронизирующей ПСП у сигнала и имитирующей помехи.
- Формируют передаваемый сигнал путем сложения двух фазоманипулированных сигналов.
Пример технической реализации устройства, формирующего шумоподобные фазоманипулированные сигналы рассматриваемым способом, приведен на фиг. 1. Устройство содержит:
1 - формирователь сигналов несущей и тактовой частот (ФНТЧ);
2 - параллельный регистр;
3 - счетчик по модулю два;
4 - счетчик по модулю , где  - количество элементов
синхронизирующей ПСП и информационной ПСП;
5 - счетчик по модулю ;
6 - сумматор по модулю ;
7, 8, 9 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);
10, 11, 12 - сумматор по модулю два;
13 - коммутатор;
14, 16 - перемножитель;
15 - фазовращатель;
17 - сумматор.
Устройство работает следующим образом. Сигнал тактовой частоты, формируемый ФНТЧ 1, поступает на тактовые входы счетчика по модулю  4 и счетчика по модулю  5.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 8, в котором записаны значения элементов укороченной на один элемент информационной ПСП. На выходе ПЗУ 8 формируется дополнительная ПСП.
Выходные сигналы счетчика 5 поступают на адресные входы ПЗУ 9.ПЗУ 9 является двухразрядным, причем в одном из разрядов записаны значения элементов синхронизирующей ПСП, а во втором - циклически сдвинутой синхронизирующей ПСП. На одном из выходов ПЗУ 9 формируется синхронизирующая ПСП, которая поступает на один из входов коммутатора 13 и один из входов сумматора по модулю два 12, на второй вход которого поступает дополнительная ПСП с выхода ПЗУ 8. На выходе сумматора по модулю два 12 формируется последовательность сумм по модулю два элементов дополнительной ПСП и синхронизирующей ПСП.
На втором выходе ПЗУ 9 формируется задержанная на целое число периодов тактовой частоты синхронизирующая ПСП, которая поступает на один из входов сумматора по модулю два 10. На второй вход сумматора по модулю два 10 поступает дополнительная ПСП с выхода ПЗУ 8, а на его выходе формируется последовательность сумм по модулю два элементов дополнительной ПСП и задержанной синхронизирующей ПСП.
Сигнал с выхода переноса счетчика по модулю  5 поступает на тактовый вход счетчика по модулю два 3, осуществляющего двоичную нумерацию периодов повторения синхронизирующей ПСП. Уровень выходного сигнала, равный логическому нулю, соответствует четным периодам, а равный логической единице - нечетным периодам.
Выходной сигнал счетчика по модулю два 3 поступает на управляющий вход коммутатора 13, который подключает к одному из входов перемножителя 16 выходной сигнал ПЗУ 9 или выходной сигнал сумматора по модулю два 12. В результате на вход перемножителя 16 поступает синхронизирующая ПСП при уровне выходного сигнала счетчика по модулю два 3, равном логическому нулю, и последовательность сумм по модулю два элементов синхронизирующей ПСП и дополнительной ПСП при уровне выходного сигнала счетчика по модулю два 3, равном логической единице.
На второй вход перемножителя 16 поступает сигнал несущей частоты, формируемый ФНТЧ 1 и сдвинутый по фазе на девяносто градусов в фазовращателе 15. В перемножителе 16 он манипулируется по фазе синхронизирующей ПСП на четных периодах её повторения и последовательностью сумм по модулю два элементов синхронизирующей ПСП и дополнительной ПСП на нечетных.
Формирование второй квадратурной составляющей сигнала осуществляется следующим образом. Сигнал с выхода переноса счетчика по модулю 5, соответствующий по времени последнему элементу очередного периода повторения синхронизирующей ПСП, подается на внешнее устройство передачи данных (УПД). В УПД формируется двоичный код очередного передаваемого информационного символа, который поступает на информационный вход параллельного регистра 2 и записывается в него сигналом с выхода переноса счетчика по модулю  5.
Двоичный код информационного символа с выхода параллельного регистра 2 поступает на один из многоразрядных входов сумматора по модулю  6, на второй вход которого поступает последовательность многоразрядных двоичных чисел  с выхода счетчика по модулю  5. В сумматоре по модулю  6 происходит циклический сдвиг этой последовательности на количество элементов, двоичное представление которого равно двоичному коду информационного символа.
Выходные сигналы сумматора по модулю  6 поступают на адресные входы ПЗУ 7, в котором записана информационная ПСП. На выходе ПЗУ 7 формируется информационная ПСП, циклически сдвинутая относительно синхронизирующей ПСП на количество элементов, двоичное представление которого равно двоичному коду передаваемого информационного символа.
Циклически сдвинутая информационная ПСП с выхода ПЗУ 7 поступает на один из входов сумматора по модулю два 11, на второй вход которого поступает двоичная последовательность с выхода сумматора по модулю два 10. На один их входов сумматора по модулю два 10 поступает задержанная на целое число периодов тактовой частоты синхронизирующая ПСП со второго выхода ПЗУ 9. На второй вход сумматора по модулю два 10 поступает с выхода ПЗУ 8 дополнительная ПСП, а на его выходе формируется последовательность сумм по модулю два элементов дополнительной ПСП и задержанной синхронизирующей ПСП. На выходе сумматора по модулю два 11 формируется последовательность сумм по модулю два элементов циклически сдвинутой информационной ПСП, дополнительной ПСП и задержанной синхронизирующей ПСП.
Выходной сигнал сумматора по модулю два 11 поступает на один из входов перемножителя 14, на второй вход которого поступает сигнал несущей частоты с выхода ФНТЧ 1. В перемножителе 14 осуществляется фазовая манипуляция сигнала несущей частоты последовательностью сумм по модулю два элементов циклически сдвинутой информационной ПСП, дополнительной ПСП и задержанной синхронизирующей ПСП.
В сумматоре 17 суммируются обе фазоманипулированные квадратурные составляющие сигнала.
Для доказательства достигаемого положительного результата рассмотрим работу приемников шумоподобных фазоманипулированных сигналов (ШПС). Все они содержат устройство синхронизации (синхронизатор) [3, стр. 269], которое сначала осуществляет поиск ШПС, а затем синхронизацию. Для обеспечения помехоустойчивости работы синхронизаторов во многих системах радиосвязи с ШПС в качестве одной из квадратурных составляющих передаваемого сигнала используется сигнал несущей частоты, манипулированный по фазе периодической синхронизирующей ПСП [2].
Поиск ШПС в этом случае, сводится к определению задержки синхронизирующей ПСП, а синхронизация - к слежению за задержкой синхронизирующей ПСП.
Оценка задержки синхронизирующей ПСП (СП) при неизвестной фазе несущей частоты и цифровой обработке сигнала включает в себя следующие операции:
- Дискретизацию огибающих квадратурных составляющих (ОКС) входного сигнала с частотой, равной тактовой частоте СП.
- Формирование двух массивов отсчетов ОКС на интервале времени, равном одному периоду повторения СП:
где - количество элементов СП.
- Формирование последовательностей , являющихся циклическими сдвигами на  элементов синхронизирующей последовательности:
где.
- Вычисление корреляционных сумм
и сумм их квадратов
для всех .
.
Оценка задержки СП осуществляется путем нахождения максимального значения  и соответствующей ему задержки
В заявляемом способе для поиска ШПС и синхронизации используется квадратурная составляющая формируемого сигнала, представляющая собой сигнал несущей частоты, манипулированный по фазе синхронзирующей ПСП (СП) только на четных периодах её повторения.
В этом случае оценка задержки СП в приемнике включает в себя следующие операции:
- Формирование двух массивов отсчетов ОКС на интервале времени, равном двум периодам повторения СП:
,
,
где  - количество элементов СП.
- Формирование СП:
- Формирование последовательности
,
такой, что
- Формирование последовательностей, являющихся циклическими сдвигами на  элементов последовательности :
,
где.
- Вычисление корреляционных сумм
и сумм их квадратов
для всех.
.
Оценка задержки СП осуществляется путем нахождения максимального значенияи соответствующей ему задержки При этом автоматически определяется начало четных и нечетных периодов повторения синхронизирующей ПСП.
Следующей операцией, которую необходимо осуществить в приемнике, является определение задержки дополнительной ПСП. Для оценки задержки дополнительной ПСП необходимо сформировать два массива отсчетов OKC (1) на интервале времени, соответствующем нечетному периоду повторения синхронизирующей ПСП, и вычислить корреляционные суммы
где  - циклически сдвинутая на  элементов дополнительная ПСП, где
После этого вычисляются суммы
для , находится сумма с максимальным значением и соответствующая ей задержка дополнительной ПСП.
После определения задержек синхронизирующей ПСП и дополнительной ПСП формирователи этих ПСП в приемном устройстве синхронизируются с принимаемым сигналом, и начинается слежение за задержкой принимаемого сигнала (автоподстройка времени).
Для защиты от имитирующих помех слежение за задержкой принимаемого сигнала необходимо осуществлять на основе оценок задержки сигнала только на нечетных периодах повторения синхронизирующей ПСП. На этих интервалах времени синхронизирующий сигнал представляет собой сигнал несущей частоты, манипулированный по фазе поэлементной суммой по модулю два синхронизирующей ПСП и дополнительной ПСП. Период повторения синхронизирующей ПСП равен , а дополнительной ПСП -  , где  - период тактовой частоты. Так как  и  взаимно простые числа, период повторения последовательности, являющейся поэлементной суммой по модулю два синхронизирующей ПСП и дополнительной ПСП, равен
Таким образом, в  раз увеличен период повторения последовательности, которая используется для автоподстройки времени в приемном устройстве. Соответственно в  раз уменьшена вероятность срыва синхронизации при воздействии имитирующих помех.
Прием информации может осуществляться следующим образом:
- Формируют два массива отсчетов ОКС (1) на интервале времени, равном одному периоду повторения СП.
- Вычисляют корреляционные суммы
и сумм их квадратов
где  - циклически сдвинутая на  элементов синхронизирующая ПСП , причем  равно количеству периодов тактовой частоты, на которое задерживается СП при формировании сигнала;  - циклически сдвинутая на  элементов информационная ПСП  принадлежит множеству чисел из интервала , которые используют для передачи информационных символов.
- Находят  соответствующее максимальному значению  и по нему определяют передаваемый информационный символ.
ИСТОЧНИКИ ИНФОМАЦИИ
1. Военно-техническая подготовка. Военно-технические основы построения средств и комплексов РЭП: учебник /А.С. Осипов; под науч. ред. Е.Н. Гарина. - Красноярск: Сиб. Федер. ун-т, 2013. – 344 с.
2. Патент RU 2115 236 С1. Система связи с широкополосными сигналами. Опубликован 10.07.1998.
3. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985. – 384 с.
4. Патент RU 2279 183 С2. Способ передачи информации в системе связи с широкополосными сигналами. Опубликован 27.06.2006. Бюл. №18.