Устройство приема псевдослучайных сигналов с относительной фазовой модуляцией

Изобретение относится к технике связи и может быть применено для приема (демодуляции) псевдослучайных дискретных сигналов с относительной фазовой модуляцией в системах с расширенным спектром, в условиях преднамеренных ретранслированных (ответных) помех. Техническим результатом изобретения является повышение помехоустойчивости приема псевдослучайных сигналов в условиях преднамеренных ретранслированных (ответных) помех.
Известны демодулятор сигналов с относительной фазовой модуляцией (Патент 2460224, МПК HO4L 27/22, НО3С 3/00, 2001), способ передачи и приема дискретной информации с псевдослучайными сигналами (Патент 2284666, НПК HO4L 9/12, 2006), радиолиния для передачи и приема дискретной информации с псевдослучайными сигналами (Патент 2302696, МПК HO4B 7/16, 2007), обнаружитель фазоманипулированных псевдослучайных сигналов (Патент 2318295, НПК HO4J 1/20, HO4L 27/18, 2008), система радиосвязи (Патент 2498503, МПК HO4B 7/00, HO4L 12/02, 2013), демодулятор фазоманипулированных псевдослучайных сигналов (А.С. 1438018, МКИ HO4L 27/22, 1988).
Данные технические решения обладают определенной помехоустойчивостью в условиях естественных и некоторых преднамеренных помех. Но при воздействии ретранслированных (ответных) помех они будут неработоспособны.
Ретранслированные (ответные) помехи считаются одними из эффективных. Станции, создающие такие помехи, всю излучаемую мощность сосредотачивают на частоте подавляемого сигнала и только в период работы подавляемой системы передачи сигналов. Эти помехи формируются на основе перехваченных элементов сигнала и так, что в приемнике (демодуляторе) они могут быть восприняты в качестве сигналов от своих абонентов системы передачи информации.
Известны способ создания ретранслированных помех (Патент 2123238, МПК HO4K 3/00, 1998), способ создания ретранслированных помех (Патент 2316899, МПК HO4K 3/00, 2008), устройство формирования помех (Патент 2451402, МПК HO4K 3/00, 2012).
Для дискретных фазомодулированных сигналов и сигналов с относительной фазовой модуляцией в классе ретранслированных (ответных) помех оптимальной помехой также является дискретное фазомодулированное колебание, частота и длительность посылок которого совпадает с аналогичными параметрами сигнала. При этом фаза элементов ретранслированной помехи противоположна фазе посылок сигнала, а мощность помехи превышает мощность сигнала. В этом случае в демодуляторе будет регистрироваться помеха вместо передаваемого сигнала (см.: Агафонов А.А., Ложкин К.Ю., Поддубный В.Н. Методология и результаты синтеза и оценки преднамеренных помех приемником дискретных сигналов // Радиотехника и электроника, 2003. Т. 48. С. 956-962).
Для защиты от воздействия такого рода преднамеренных помех в технике связи применяют системы с расширенным спектром на основе псевдослучайных (шумоподобных) сигналов (см.: Варакин Л.Е. Системы с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985. - 384 с; Скляр Б. Цифровая связь. - М.: Издательский дом «Вильяме», 2007. - 1104 с; Борисов В. И. и др. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью. - М.: Радио и связь, 2003. - 640 с.
Обработка в устройствах приема (демодуляторах) совокупности преднамеренных помех и псевдослучайных сигналов соответствует так называемому «обелению» помехи. Иными словами, помеха, похожая на сигнал, но отличная от него некоторыми своими параметрами, в том числе, случайно изменяющейся начальной фазой в канале связи, в процессе обработки преобразуется в некое подобие естественной шумовой помехи. В связи с этим последующий прием сигналов не вызывает затруднений, так как методы их демодуляции в условиях естественных шумовых помех известны и весьма эффективны.
Наиболее близкие по технической сущности к предлагаемому устройству является некогерентный демодулятор с однократной ФРМ-1 (см.: Окунев Ю.Б. Теория фазоразностной модуляции. - М.: Связь, 1979. С.75, рис. 3.7). Здесь использован термин ФРМ-1 - фазоразностная модуляция первого порядка, но далее будет применяться равнозначный термин - относительная фазовая модуляция (ОФМ).
Устройство-прототип состоит из двух параллельных ветвей (трактов) квадратурного приема с общим входом, содержащих последовательно соединенные вторые перемножители, интеграторы, а также элементы задержки и, кроме того, автономный генератор опорного гармонического сигнала, соединенный со вторым перемножителем в одной из ветвей непосредственно, а со вторым перемножителем в другой ветви через фазовращатель на π/2.
Процедура обработки и регистрации ОФМ-сигнала в устройстве-прототипе осуществляется на основе сравнения двух его соседних посылок- текущей и предшествующей в соответствии с известным правилом относительной фазовой модуляции, изложенном в книге: Петрович Н.Т. Передача дискретной информации в каналах с фазовой манипуляцией. - М.: Сов. Радио, 1965. - 262 с. Для этого в составе каждой из квадратурных ветвей приемника имеются элементы задержки на время длительности одной посылки сигнала.
Такой приемник (демодулятор) обладает определенной помехоустойчивостью в условиях естественных (шумовых) помех в канале связи. Однако в условиях действия преднамеренных ретранслированных (ответных) помех он будет неработоспособен.
Цель изобретения - повышение помехоустойчивости приема сигналов в условиях преднамеренных ретранслированных (ответных) помех.
Данная задача повышения помехоустойчивости приема сигналов может быть решена путем применения расширения спектра этих сигналов и увеличением энергии, накопленной до момента их регистрации.
Для достижения поставленной цели в известный демодулятор (приемник), состоящий из двух параллельных ветвей квадратурного приема с общим входом, содержащих последовательно соединенные вторые перемножители, интеграторы, а также элементы задержки и, кроме того, автономный генератор опорного сигнала, соединенный со вторым перемножителем в одной из ветвей непосредственно, а со вторым перемножителем в другой ветви через фазовращатель на π/2, введены первый перемножитель, первый вход которого является входом устройства и подключен через последовательно соединенные блок синхронизации и генератор псевдослучайной последовательности к его второму входу, в каждую из ветвей приема суммирующие накопители, включенные между выходами интеграторов и входами элементов задержки и соединенные по выходу с первыми входами первых сумматоров и первых вычитающих блоков, при этом в обемх ветвях приема выходы первых сумматоров через первый и третий квадраторы соединены со вторым сумматором одной из ветвей, выходы первых вычитающих блоков через второй и четвертый квадраторы подключены ко второму сумматору другой ветви приема, выходы вторых сумматоров через второй вычитающий блок соединены с решающим блоком, кроме того выходы элементов задержки в оюеих ветвях приема подключены ко вторым входам первых сумматоров и первых вычитающих блоков, а выход решающего блока является выходом устройства.
На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства. На фиг. 2 представлены результаты оценки эффективности предлагаемого устройства.
Устройство приема псевдослучайных сигналов с относительной фазовой модуляцией состоит из первого перемножителя 1 с подключенным к нему генератором 2 псевдослучайной последовательности с блоком 3 синхронизации, двух параллельных ветвей квадратурного приема с общим входом, содержащих последовательно соединенные вторые перемножителя 4 и 10, интеграторы 5 и 11, суммирующие накопители 6 и 12, первые сумматоры 14 и 16, квадраторы 18 и 20, вторые сумматоры 22 и 23, выходы которых через второй вычитающий блок 24 соединены с решающим блоком 25, выход которого является выходом устройства. При этом автономный генератор 8 соединен со вторым перемножителем 4 в одной из ветвей непосредственно, со вторым перемножителем 10 в другой ветви через фазовращатель 9 на π/2, а выходы суммирующих накопителей 6 и 12 соединены через элементы задержки 7 и 13 со вторыми входами первых сумматоров 14 и 16 и первыми входами вычитающих блоков 15 и 17, а с их вторыми входами - непосредственно. Кроме того, выходы первых сумматоров 14 и 16 через квадраторы 18 и 20 соединены со вторым сумматором 22, а выходы первых вычитающих блоков 15 и 17 через квадраторы 19 и 21 подключены ко входам второго сумматора 23.
Блоки, входящие в состав предлагаемого устройства, можно реализовывать на основе известных элементов схемотехники.
Перемножители 1, 4, 10 могут быть реализованы на основе микросхем 526ПС1 и 526ПС2, описанных в книге: Сикарев А.А., Лебедев О.К. Микроэлектронные устройства формирования и обработки сигналов. - М.: Радио и связь, 1983. С. 200-202.
Реализация генератора 2 псевдослучайной последовательности описана в книге: Коржик В.К, Просихин В.П., Яковлев В.А. Основы криптографии. - СПб.: СПб ГУТ, 2014. С. 96-101.
Варианты реализации блока синхронизации 3 описаны в книге: Журавлев В. И. Поиск и синхронизация в широкополосных системах. - М.: Радио и связь, 1986. - 240 с.
Интеграторы 5, 11, суммирующие накопители 6, 12, сумматоры 14, 16, 22, 23, вычитающие блоки 15, 17 могут быть реализованы на основе схем с операционными усилителями, описанных в книгах: Сикарев А.А., Лебедев О.Н. Микроэлектронные устройства формирования и обработки сигналов. - М.: Радио и связь, 1983. С. 194-200; Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1998. С. 237-238; Титце У, Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. - М.: ДМК пресс, 2008. С. 138-140.
Квадраторы могут быть реализованы на основе перемножителей сигналов, когда один и тот же сигнал подается одновременно на два входа перемножителя. Такие устройства могут быть выполнены с помощью схем, описанных в книгах: Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1982. С. 158-163; Пейтон А.Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: Бином, 1994. С. 237-255.
Решающий блок 25 может быть реализован на основе D-триггера (микросхема 1564ЕМ2), который описан в книге: Справочник разработчика и конструктора РЭЛ. Элементная база / Сост. Н.Ю. Масленников, Е.А. Соболев и др. Кн. 1. - М., 1993. Данный блок 25 формирует логические значения элементов «единица» и «ноль», которые являются результатом приема (демодуляции) псевдослучайного сигнала.
Новая совокупность признаков, образованная за счет введения новых блоков и элементов, позволяет осуществить обработку псевдослучайных сигналов с накоплением их энергии на длительности базы и полнее использовать различие параметров сигналов и помех, что в итоге делает положительный эффект в виде повышения помехоустойчивости приема псевдослучайных сигналов в условиях преднамеренных ретранслированных (ответных) помех.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Принимаемый сигнал перемножается с псевдослучайной последовательностью γ, формируемой местным генератором 2 псевдослучайной последовательности, который синхронизирован с сигналом при помощи блока 3 синхронизации. С выхода перемножителя 1 сигнал, с которого снята псевдослучайная последовательность, поступает по объединенному входу в квадратурные ветви приема на вторые перемножителя 4 и 10. Одновременно с сигналом сюда поступает ретранслированная (ответная) помеха совместно с шумовой естественной помехой канала связи. В процессе псевдослучайных преобразований помеха «обеляется», т.е. приобретает характерные признаки естественного шумового случайного процесса вследствие различия фаз сигнала и ответной помехи из-за случайных их изменений в процессе передачи.
На вторые входы вторых перемножителей 4 и 10, являющихся по существу фазовыми детекторами, поступает опорный сигнал от автономного генератора 8, причем на перемножитель 4 непосредственно, а на перемножмтель 10 - через фазовращатель 9 на π/2, чтобы в одной из ветвей реализовать квадратурную обработку косинусоидальной компоненты, а в другой синусоидальной компоненты сигнала.
После прохождения перемножителей 4 и 10, где произошло детектирование, посылки сигнала поступают на интеграторы 5 и 11, которые выполняют функции фильтров нижних частот. Таким образом, на вход суммирующих накопителей 6 и 12 подаются элементы сигнала
0
где u(t) - аддитивная смесь сигнала, естественной шумовой и преднамеренной ретранслированной (ответной) помех, Т - длительность элемента сигнала.
0
С выхода суммирующего накопителя 6 в одной из ветвей приема на первые входы первого сумматора 14 и первого вычитающего блока 15 поступают посылки сигнала , а на их вторые входы - посылки сигнала , прошедшие через элемент задержки 7, где m - номер текущей посылки сигнала, m-1 - номер предшествующей посылки, т.е. задержанной на время длительности посылки псевдостучайного сигнала Т=nT.
Одновременно с этим с выхода суммирующего накопителя 12 в другой ветви приема на первые входы первого сумматора 16 и первого вычитающего блока 17 поступают посылки сигнала , а на их вторые входы - посылки сигнала , прошедшие через элемент задержки 13.
Таким образом здесь реализуется когерентное накопление элементов сигнала на длительности Т, которую имеют информационные посылки псевдослучайного сигнала «0» и «1» с базой n.
Далее после прохождения соединенных в определенном порядке первых сумматоров 14, 15, первых вычитающих блоков 15, 17, квадраторов 15, 19, 20, 21 на входы второго сумматора 22 поступают величины сигнала
на входы второго сумматора 23 - величины сигнала
0
содержащие в себе накопленную энергию на длительности Т=nT информационной посылки псевдослучайного сигнала.
Наконец, с выхода второго вычитающего блока 24 на вход решающего блока 25 поступает совокупность величин псевдослучайного сигнала
Х=А+B-C-D.
Решающий блок 25 на основе правила  формирует информационные посылки сигнала «0» и «1», которые являются результатом приема (демодуляции) в условиях действия ретранслированной (ответной) помехи. Такая процедура может быть реализована, как указано выше, с помощью соответствующих современных микросхем. Для оценки помехоустойчивости предлагаемого устройства воспользуемя соотношением, позволяющим рассчитать вероятность ошибочного приема двоичной посылки сигнала. Данное соотношение (получено в работе: Биккенин Р.Р., Андрюков А.А. Подавление ответных (ретранслированных) помех при обработке псевдослучайных сигналов с относительной фазовой модуляцией // Информация и космос. Научно-технический журнал. 2016. №2. С. 27-32) и имеет вид
где n - база псевдослучайного сигнала,
с
п
q - отношение мощности сигнала Р к мощности ответной (ретранслированной) преднамеренной помехи Р,
2
с
c
0
h - отношение энергии сигнала Е=PT к спектральной плотности мощности шума N,
с
п
- модифицированная функция Бесееля первого рода нулевого порядка, θ=ϕ-ϕ - разность фаз сигнала и преднамеренной ретранслированной помехи.
ош
2
Результаты расчетов по данному соотношению при обработке сигналов с помощью предлагаемого устройства в виде графической зависимости вероятности ошибки P от отношения сигнал/помеха q при фиксированном значении отношения сигнал/шум h=1 и базе псевдослучайного сигнала n=20 представлены на фиг. 2. Видно, что предлагаемое техническое решение позволяет повысить помехоустойчивость приема псевдослучайных сигналов в условиях ретранслированных помех, когда база сигналов имеет сравнительно небольшую величину (n=20), а помеха по энергетике превосходит сигнал. С увеличением величины отношения сигнал/помеха значение вероятности ошибочного приема монотонно снижается. В названных условиях устройство-прототип оказывается неработоспособным и не может обеспечить необходимую величину помехоустойчивости приема.
Таким образом, использование элементов, указанных в отличительной части формулы изобретения, выгодно отличает предлагаемое технические решение от прототипа и позволяет получить положительный эффект в виде повышения помехоустойчивости приема псевдослучайных сигналов с относительной фазовой модуляцией в условиях воздействия преднамеренных ретранслированных (ответных) помех.
Литература и источники
1. Агафонов А.А., Ложкин К.Ю., Поддубный В.Н. Методология и результаты синтеза и оценки преднамеренных помех приемником дискретных сигналов // Радиотехника и электроника. 2003. Т. 48. №8. С. 956-962.
2. Варакин Л.Е. Системы с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985. - 384 с.
3. Скляр Б. Цифровая связь. - М.: Издательский дом «Вильяме», 2007. - 1104 с.
4. Борисов В.И. и др. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью. - М.: Радио и связь, 2003. - 640 с.
5. Петрович Н.Т. Передача дискретной информации в каналах с фазовой манипуляцией. - М.: Сов. Радио, 1965. - 262 с.
6. Биккенин Р.Р., Андрюков А.А. Подавление ответных (ретранслированных) помех при обработке псевдослучайных сигналов с относительной фазовой модуляцией // Информация и космос. Научно-технический журнал. 2016. №2. С. 27-32.