СПОСОБ ПРИЕМОПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ
METHOD OF TRANSCEIVING DISCRETE INFORMATION SIGNALS

Изобретение относится к способам приемопередачи дискретных (цифровых) информационных сигналов и может быть использовано в связи, локации, телеметрии, телефонии и в других областях, связанных с различными видами переработки информации.
Известен способ приемопередачи дискретной информации с использованием сигналов с выбросом спектра, в которых подлежащие передаче информационные символы отображаются на выброс спектра спектрально ограниченной сигнальной функции (Шилов В.П. "Способ внутриимпульсной модуляции - демодуляции с прямым расширением спектра". Патент RU 2528085 С1, 23.05.2013). Данный способ, устраняя предел Шеннона, позволяет перерабатывать информацию при сверхнизких отрицательных значениях отношения сигнал/шум. Однако реализация потенциальных возможностей рассматриваемого способа связана с применением информационных сигналов с выбросом спектра, требующих, хотя и незначительного (по сравнению с классическими сигналами с расширением спектра), в пределах одного порядка, но принципиально необходимого расширения их спектра, снижающего эффективность использования природного частотного ресурса. Кроме того, сигналы данного типа обладают низкой энергетикой, связанной с тем, что величина энергии части сигнала, отображающей собственно информацию, на несколько порядков меньше энергии сигнала в целом. Наиболее близким способом (прототипом) к предлагаемому является, за неимением других аналогов, способ, рассмотренный выше.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа приемопередачи дискретной информации, позволяющего снять ограничения на его реализацию, связанные с расширением спектра информационных сигналов и нерациональным использованием энергии, необходимой для переработки единицы информации, при сохранении принципиального отличия от всех известных способов, за исключением прототипа (аналога), заключающегося в устранении предела Шеннона.
Технический результат – повышение эффективности использования энергии сигнала и частотного ресурса канала преобразования (приемопередачи) дискретной (цифровой) информации.
Решение поставленной задачи, применительно к передающей стороне, осуществляют путем отображения, каждого подлежащего передаче информационного символа на возмущения какой-либо физической среды, представляющие собой отрезки периодических колебаний протяженностью (в случае электромагнитных колебаний, длительностью), равной протяженности символов, передаваемых через среду распространения непосредственно или используемых в качестве модулирующих сигналов. При этом применяется короткая, по отношению к протяженности символа (отображающего отрезка), последовательность периодических колебаний (цуг) так, чтобы эффективный спектр этой последовательности минимально выходил за пределы первого лепестка окна с длительностью символа. На приемной стороне решение поставленной задачи достигают путем проведения оценки псевдоспектра предварительно обработанной, в соответствии с функциональным типом используемого канала, принятой сигнально-шумовой смеси, разделенной на участки с протяженностью, равной протяженности отрезков периодических колебаний, отображающих символы, с шагом, кратно-равным периоду дискретизации сигнально-шумовой смеси, в полосе частот эффективного спектра отрезков периодических колебаний. Оценку псевдоспектра осуществляют путем анализа собственных чисел и собственных векторов корреляционной (ковариационной) матрицы, составленной из отсчетов сигнально-шумовой смеси на данном отрезке, и в случае обнаружения псевдоспектрального пика на ожидаемом, для соответствующего символа, спектральном участке, выносят решение о наличии на этом участке переданного символа.
Возможность реализации предлагаемого способа приемопередачи дискретной (цифровой) информации иллюстрируется на графиках (Фиг. 1-6), не снижая общности рассмотрения, на простейшем примере приемопередачи одного символа информации, представляющего собой один бит информационной последовательности, или чип сложного сигнала, или зондирующий радиолокационный импульс. На Фиг. 1, в осях время - напряжение, изображен исходный информационный сигнал (1), соответствующий подлежащему передаче информационному символу определенного типа, представляющий собой два периода оцифрованных с частотой дискретизации восемь герц синусоидальных колебаний с частотой два герца и с амплитудой, равной одному вольту, расположенных на временном промежутке длительностью в одну секунду (от 31 с до 32 с - фрагмент расчетного эксперимента). На Фиг. 2, в осях частота - модуль спектральной плотности, изображены псевдоспектр информационного сигнала (2), оценка которого выполнена по методу MUSIC, в среде программы MATLAB и FFT - спектр того же сигнала (3). На Фиг. 3, в осях время - напряжение, представлена сигнально-шумовая смесь на промежутке (31-32) секунды (4), подготовленная для проведения оценки ее псевдоспектра. Зашумление аддитивным белым гауссовым шумом информационного сигнала равно минус 100 дБ (эпюра собственно шума, с точностью до одной десятитысячной, совпадает с эпюрой сигнально-шумовой смеси). На Фиг. 4, в осях частота - модуль спектральной плотности, показан FFT - спектр сигнально-шумовой смеси (5), а на Фиг. 5 и 6, в тех же осях, представлены результаты оценки псевдоспектра сигнально-шумовой смеси, а именно: пик (6), соответствующий информационному сигналу (1), кривая (7, пунктир), соответствующая собственно шуму, кривые (8) и (9), характеризующие псевдоспектр промежутков, сдвинутых на один период дискретизации вправо и влево, соответственно. Дополнительно на обзорном графике (Фиг. 6) приведены псевдоспектры десяти односекундных промежутков, сдвинутых на восемь периодов дискретизации сигнально-шумовой смеси (на один односекундный промежуток), относительно друг друга, начиная от промежутка, содержащего информационный сигнал (по пять промежутков, влево и вправо, по оси времени) и четырнадцать (по семь влево и вправо), со сдвигом на один период дискретизации (перекрывая два смежных односекундных промежутков с промежутком, содержащим информационный сигнал). Приведенные графики демонстрируют эффективное извлечение информационного сигнала из шума, при отношении (сигнал/шум), равном минус 100 дБ. Проведенные дополнительные расчетные эксперименты показывают, что принципиальными ограничивающими факторами применения предложенного способа являются лишь возможности аналогово-цифрового преобразования (АЦП) (шумы преобразования, при заданном быстродействии) и примененных форматов представления чисел в используемых вычислительных устройствах (так, при расчетах в среде MATLAB, надежные результаты достигаются при отношениях сигнал/шум не менее минус 300 дБ, при использовании формата "long е", что демонстрирует возможности вычислителя без учета возможностей существующих АЦП).
Предлагаемый способ приемопередачи информационных дискретных (цифровых) сигналов может найти применение во всех областях науки и техники, связанных с процессами переработки информации, обеспечивая возможность работы глубоко под шумами, при энергетической эффективности принципиально и существенно превышающей предел Шеннона, и при этом не ограничивающей спектральную эффективность.