СПОСОБ ВНУТРИИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИИ-ДЕМОДУЛЯЦИИ С ПРЯМЫМ РАСШИРЕНИЕМ СПЕКТРА
METHOD FOR INTRAPULSE MODULATION-DEMODULATION WITH DIRECT SPECTRUM SPREADING

Изобретение относится к способам модуляции-демодуляции дискретных (цифровых) сигналов и может быть использовано в электрорадиосвязи, локации, телеметрии, телефонии и в других областях. Известны способы внутриимпульсной модуляции с прямым (непосредственным)расширением спектра, осуществляемой путем формирования шумовой или шумоподобной огибающей импульсных сигналов, являющихся в этом случае широкополосными сигналами (ШПС) или сигналами с большой базой В=ТэWэ, и где Тэ и Wэ - эффективные длительность и полоса частот, занимаемая сигналом соответственно (Петрович Н.Т., Размахнин М.К. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Сов.радио, 1969, с.63-65). В качестве огибающих ШПС могут быть использованы образцы реального шума, регулярные сигналы типа реализации шумового процесса и другие подобные. Наиболее близким способом к предлагаемому является широко применяемый способ внутриимпульсной модуляции, заключающийся в представлении импульсного сигнала псевдослучайной последовательностью (ПСП), обладающей шумоподобными свойствами (Алексеев А.И. и др. Теория и применение псевдослучайных сигналов. М.: Наука, 1969, с.22-24). Данный способ, при обычно используемых способах демодуляции на приемной стороне, заключающихся в оптимальной фильтровой либо коррелляционой обработке, позволяет при увеличении значения базы сигнала максимально приблизиться к границе Шеннона как среди рассматриваемой группы способов модуляции, так и среди всех других известных способов. Однако реальное достижение границы, а тем более ее преодоление не обеспечивается, первое - по причине невозможности увеличения базы сигнала до бесконечности, а второе в связи с наличием ограничения на минимальное значение величины энергетической эффективности (E0/N0)min=Ln2, где Ln - натуральный логарифм, Е0 - энергия сигнала и N0 - спектральная плотность мощности шумов в полосе частот сигнала, вытекающего из формулы Шеннона для пропускной способности канала передачи информации:
C=WLog(1+S/N),
где Log - логарифм по основанию 2;
С - пропускная способность канала [бит/Гц];
W - ширина полосы частот канала (сигнала) [Гц];
(S/N) - отношение сигнал/шум;
S=(Ео/Т) - средняя мощность сигнала [Вт];
N=(NoW) - мощность шума в полосе частот канала [Вт];
Т - длительность сигнала [с].
Физической причиной существования границы Шеннона и предельно-минимального значения величины энергетической эффективности является полная или частичная перекрываемость (скрещенность) спектров полезного и мешающего (шумового) сигналов при их обработке в приемной части канала передачи информации. Задачей настоящего изобретения является разработка способа модуляции-демодуляции сигналов, позволяющего осуществить демодуляцию смеси сигнала с шумом, при устранении скрещивания их спектров в той степени, которую обеспечивают существующие технические средства. Технический результат - возможность приемопередачи дискретной информации при значениях отношения сигнал-шум принципиально и существенно меньших, чем это допускается теориями информации Шеннона и потенциальной помехоустойчивости Котельникова при одних и тех же значениях спектральной эффективности сигналов. Решение поставленной задачи, применительно к этапу модуляции сигнала (синтезу сигнала), осуществляют путем представления информационного импульсного сигнала импульсным сигналом с огибающей, описываемой функцией с ограниченным спектром, имеющей на одном или нескольких своих промежутках колебания с частотой, превышающей граничную частоту спектра синтезируемого сигнала (выбросы частоты). При этом параметры этих колебаний (амплитуду, частоту, фазу, порознь или в различных сочетаниях) ставят в соответствие информативному признаку сигнала, подлежащего передаче. Решение поставленной задачи на приемной стороне, при проведении обработки принятой смеси полезного и мешающего сигналов, производят в два этапа. На первом этапе смесь сигнала с шумом обрабатывается необходимым для используемого вида приемопередающего канала образом в полосе частот занимаемой полезным сигналом, например в случае супергетеродинного канала, производят преселекцию, высокочастотное усиление, гетеродинирование, усиление на промежуточной частоте. На втором этапе, являющемся собственно этапом демодуляции, осуществляют времячастотную обработку смеси сигнала с шумом в полосе частот, соответствующей элементарному сигналу, представляющему собой промежуток, содержащий выброс частоты. Данная обработка включает в себя разбиение принятой смеси сигнала с шумом на ряд элементарных импульсов с длительностью, равной длительности промежутка с выбросом частоты, с последующей частотно-фильтровой (в случае отображения информативного признака на амплитудно-фазовые параметры колебаний в выбросе)или спектральной (в случае отображения информативного признака только на частоту колебаний в выбросе) обработкой элементарных импульсных сигналов, выполняемой с использованием известных технических средств, таких как, оконно-временная селекция, частотная фильтрация, спектральный анализ коротких сигналов, вейвлетный анализ и другие. На основании определения значений параметров колебаний в выбросе выносится решение о значении информативного признака, содержащегося в принятом сигнале. Подтверждением реализации предлагаемого способа модуляции-демодуляции дискретных сигналов являются результаты расчета по формированию модулированного сигнала и его выделению из шума в соответствии с алгоритмом предлагаемого способа, выполненные в среде MATLAB и представленные на графиках (Фиг.1-Фиг.7). На (Фиг.1) в осях время-напряжение представлены исходный информационный сигнал (1), представляющий собой прямоугольный видеоимпульс длительностью Т=7 с и равный ему по энергии модулированный сигнал (2), имеющий на промежутке длительностью одна секунда, расположенном по оси времени от трех до четырех секунд, два квазипериода колебаний с выбросом частоты. График этих колебаний (3) в укрупненном масштабе в осях время-напряжение представлен на Фиг.2. Спектр модулированного сигнала(4) в осях частота-модуль спектральной плотности представлен на Фиг.3, а на Фиг.4 в тех же осях представлен псевдовектор спектра промежутка с выбросом частоты (5), рассчитанный по методу MUSIC. Временная диаграмма аддитивной смеси модулированного сигнала с нормальным гауссовым шумом(6) при отношении сигнал-шум, равном минус двести децибел (по мощности), в полосе частот, соответствующей частоте дискретизаци, равной восемь герц, при учете зашумления полезного сигнала на всем пути его распространения в среде передачи и обработки вплоть до поступления смеси сигнала с шумом непосредственно на демодулятор в осях время-напряжение представлена на Фиг.5. Временная диаграмма сигнально-шумовой смеси, обработанной в полосе частот модулированного сигнала (приблизительно один герц)(7), разбитая на ряд элементарных импульсных сигналов с помощью окна длительностью, равной одной секунде, с шагом, равном периоду дискретизации (одна восьмая секунды), в пределах перекрытия окна с промежутком, содержащем выброс частоты, в осях время-напряжение, представлена на Фиг.6. Спектральная диаграмма в осях частота-модуль спектральной плотности являющаяся конечным результатом расчета и на которой изображены псевдовекторы спектров всех проанализированных элементарных импульсных сигналов в пределах длительности модулированного сигнала, приведена на Фиг.7, где позициями 8, 9, 10  обозначены псевдовекторы спектров элементарных импульсных сигналов, частично перекрывающихся с промежутком, содержащем выброс частоты, а позицией (11) помечен псевдовектор элементарного импульса, совмещенного с промежутком выброса частоты точно. Полученный результат демонстрирует надежное выделение промежутка с выбросом частоты и соответственно обнаружение информативного признака в принятом зашумленном модулированном сигнале.
Для сравнения полученного в ходе расчета результата с достижимым с помощью известрых способов значением отношения сигнал-шум при всех прочих равных условиях, вычислим это значение, используя формулу, связывающую его с энергетической и спектральной эффективностями сигнала, в виде:
(S/N)=(E0/N0)(R/W),
где (R/W) - спектральная эффективность сигнала [бит/Гц];
R - скорость передачи информации [бит/с].
Подставляя в эту формулу минимальное значение (E0/N)min=Ln2, обеспечивающее в соответствии с теорией информации Шеннона безошибочный прием сигналов со структурой белого шума, получаем выражение:
(S/N)>=(R/W) Ln2,
представляющее собой одну из возможных форм описания границы (предела) Шеннона (применительно к отношению сигнал-шум). Подставив в последнее выражение значение (R/W)=1[бит/герц], использованное в расчете, получим (S/N)>=Ln2 или приблизительно (S/N)>=минус 1,6 дБ против значения минус 200 дБ, использованного при расчете и при котором обеспечивается выделение полезного сигнала из шума. Предлагаемый способ может найти применение во всех областях техники, связанных с использованием дискретных (цифровых) сигналов, обеспечивая при этом уникальные возможности работы каналов передачи информации глубоко под шумами, при относительно высокой энергетической эффективности (по сравнению с известными способами), со всеми вытекающими из этого факта полезными при всех прочих равных условиях свойствами, такими как, увеличение дальности передачи информации, возможности повторного использование частотного ресурса по отношению к узкополосным сигналам, скрытности передачи информации и рядом других полезных свойств.