Способ передачи дискретных сигналов в режиме программной перестройки рабочей частоты с изменяемыми параметрами модуляции
METHOD FOR TRANSMITTING DISCRETE SIGNALS IN THE MODE OF PROGRAM ADJUSTMENT OF THE OPERATING FREQUENCY WITH VARIABLE MODULATION PARAMETERS

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для применения в помехозащищенных системах радиосвязи для передачи дискретных сигналов.
Известен способ формирования шумоподобных радиоимпульсов для передачи бинарных символов информации сложными сигналами, в котором осуществляется формирование помехозащищенных радиосигналов, (см. 1. патент РФ на изобретение № 2231924, М., кл. Н04В 1/69, H04L 27/34, от 27.06.2004 г.).
В известном способе осуществляют минимальную кодочастотную модуляцию несущей частоты путем суммирования модулированных по амплитуде и фазе колебаний квадратурных каналов, модулирующие кодовые последовательности которых получают перекодировкой кодовой последовательности шумоподобного радиоимпульса, осуществляют стробирование полученной суммы видеоимпульсом, равным длительности кодовой последовательности, после чего формируют противоположный сигнал на основе инверсии модулирующей кодовой последовательности одного из квадратурных каналов.
Известный способ характеризуется низкой помехозащищенностью формируемого сигнала вследствие известных и неизменных параметров формируемых радиосигналов.
Известен способ формирования и обработки сложного сигнала в помехозащищенных радиосистемах (см. 2. патент РФ на изобретение № 2205496, М., кл. Н03С 3/40, Н04В 1/10, H04L 27/18, от 27.05.2003 г.).
В способе-аналоге в качестве несущего колебания используют модифицированный полосовой шум, временные участки которого с амплитудой выше пороговой имеют равномерное распределение фазы в пределах  относительно фазы опорного частотно-модулированного колебания, а участки с амплитудой ниже пороговой имеют распределение фазы, равномерное в пределах ±π, причем обработку сложного сигнала производят схемой Костаса с отслеживанием введенной частотной модуляции несущей.
Известный способ обладает низкой помехозащищенностью формируемого радиосигнала вследствие известных и неизменных параметров формируемого радиосигнала.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявляемому является способ формирования сигнала с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (см. 3. патент РФ на изобретение № 2648291, М., кл. Н04В 1/713, опубл. 23.03.2018 г.).
2
1
1
В прототипе осуществляют формирование сигнала в режиме ППРЧ. Для этого первичный сигнал модулируют цифровой информацией, перемножают результат модуляции с опорным синхронным колебанием M(t), частота которого определяется в соответствии с заданным генератором псевдослучайной последовательности (ГПСП) кодовым словом последовательности О(t). Причем первичный сигнал для модулятора формируют в базисах функций сплайн-характера (БФСХ), параметры которых выбирают в соответствии с заданным ГПСП кодовым словом последовательности О(t) синхронно изменению параметров опорного колебания, которое также формируют в БФСХ. Параметры БФСХ выбирают в соответствии с заданным ГПСП кодовым словом последовательности О(t). Причем кодовые слова, определяющие параметры БФСХ для первичного и опорного синхронного колебания, различны.
При таком способе формирования структура сигнала, применяемая в способе-прототипе, является известной, неизвестны параметры базиса формирования сигнала, задаваемые ГПСП при выборе рабочей частоты и степени БФСХ, что несколько улучшает параметры режима ППРЧ. Однако параметры модуляции остаются неизменными на всем периоде функционирования радиосредств. Следствием чего способ-прототип имеет низкую помехозащищенность формируемого радиосигнала.
Проблемой, которую необходимо решить, является низкая помехозащищенность формируемого радиосигнала из-за неизменности параметров модуляции на всем периоде функционирования радиосредств.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение помехозащищенности радиосигнала путем совмещения свойств сигналов, полученных в негармоническом базисе вейвлет-функций различного порядка и сигналов однополосной модуляции, проявляющихся в асинхронизме передачи в радиолинии, что реализуется на основе технологий программной перестройки рабочей частоты с изменяемыми параметрами модуляции.
1
2
2
1
1
2
1
1
1
2
2
1
'
Заявляемый технический результат в предлагаемом способе передачи дискретных сигналов в режиме программной перестройки рабочей частоты с изменяемыми параметрами модуляции достигается тем, что первичный сигнал S(t) генерируют в негармоническом базисе, формируют опорное колебание M(t), частоты которого ƒ, ƒ, …fn определяют в соответствии с заданной псевдослучайной кодовой последовательностью O(t), перемножают модулированный сигнал S(t) с опорным колебанием M(t), параметры формируемого сигнала выбирают в соответствии с заданной псевдослучайной кодовой последовательностью O(t) синхронно с изменением частоты опорного колебания M(t), согласно изобретению синхронно с каждым изменением частоты опорного колебания M(t) формируют кодовые слова на основе псевдослучайных последовательностей O(t) и O(t), при этом на передающей стороне полосу частот канала тональной частоты разбивают на две полосы на основе граничного значения частоты, которое выбирают с использованием кодового слова псевдослучайной последовательности O(t), из информационной последовательности формируют первое и второе кодовые слова, на основе кодовой последовательности O(t) выбирают порядок первой, второй, третьей, четвертой вейвлет-функций, элементы первого и второго кодовых слов заменяют на радиоимпульсы, которые получают соответственно из первой, второй и третьей, четвертой вейвлет-функций, причем длину кодовых слов определяют исходя из значений сформированных в полосе канала тональной частоты значений полос и порядка вейвлет-функций, а элементы первого кодового слова заменяют на радиоимпульсы первой и второй вейвлет-функций, элементы второго кодового слова заменяют на радиоимпульсы третьей и четвертной вейвлет-функций, радиоимпульсы второго кодового слова инвертируют и производят сложение радиоимпульсов, на основе полученного первичного сигнала S(t) на промежуточной частоте формируют сигнал однополосной модуляции, производят демодуляцию сформированного однополосного сигнала, причем частоту несущей при демодуляции выбирают равной сумме значений промежуточной частоты и граничного значения частоты, полученного в соответствии с кодовым словом псевдослучайной последовательности O(t), на основе демодулированного сигнала на рабочей частоте, определяемой кодовым словом последовательности O(t), формируют сигнал однополосной модуляции, который излучают в сторону корреспондента, после чего изменяют частоту опорного колебания M(t), на приемной стороне после выбора рабочей частоты колебания M(t) в соответствии с кодовым словом последовательности O(t) демодулируют сигнал однополосной модуляции, производят разделение радиоимпульсов первого и второго кодовых слов, в соответствии с кодовой последовательностью O(t) производят замену радиоимпульсов на логические элементы информационной последовательности, которую передают получателю сообщения.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявляемом способе реализуется принцип расширения базы сигнала на основе режима ППРЧ с изменяемой полосой частот формирования радиосигнала однополосной модуляции, сложность идентификации которого затрудняется проявлением асинхронизма радиолинии и формированием первичного электрического сигнала в базисе вейвлет-функций различного порядка.
Поясним возможность достижения указанного технического результата предлагаемым способом.
В способе-прототипе расширение спектра сигнала происходит за счет использования базисных функций сплайн-характеров заданного порядка, которые усложняют режим ППРЧ. При этом, параметры самого режима ППРЧ не претерпевают изменений. А поскольку вид радиосигнала не изменяется, то и скрытность параметров его модуляции для несанкционированного пользователя остается достаточно низкой, что и определяет относительно низкую помехозащищенность линии радиосвязи, (см. 4. Борисов В.И. Помехозащищенность систем радиосвязи. Основы теории и принципы реализации. Монография. М.: Наука, 2009. - 358 с.), (см. 5. Пшеничников А.В. Модели и методы помехозащиты радиолиний: Монография. СПб.: ВАС, 2017. - 136 с.).
В заявляемом способе повышение помехозащищенности функционирования радиолинии достигается за счет повышения скрытности как параметров первичного электрического сигнала, так и параметров самого режима ППРЧ.
Повышение скрытности параметров первичного электрического сигнала достигается в результате его формирования в базисе вейвлет-функций, порядок которых изменяется с каждой перестройкой позиции рабочей частоты.
А скрытность параметров режима ППРЧ обеспечивается за счет проявления асинхронизма радиолинии при неправильном алгоритме обработки радиосигнала однополосной модуляции, формируемым первичным сигналом на основе демодуляции с промежуточной частоты относительно опорного (несущего) колебания, частота которого выбирается псевдослучайным способом при каждой смене частоты (см. 6. Верзунов М.В. Однополосная модуляция в радиосвязи: Монография. Воениздат, 1972. - 296 с.).
Так как значение несущей частоты находится в пределах ширины полосы спектра информационного сигнала, формируемого на промежуточной частоте при осуществлении однополосной модуляции, происходит проявление ассинхронизма передачи в радиолинии (см. 6. Верзунов М.В. Однополосная модуляция в радиосвязи: Монография. Воениздат, 1972. - 296 с.).
Дальнейшее расширение базы сигнала производится за счет непосредственного использования режима программной перестройки рабочей частоты (см. 7. Борисов В.И. Помехозащищенность систем радиосвязи. Основы теории и принципы реализации: Монография. М.: Наука, 2009. - 358 с.).
Таким образом, на основе заявляемого способа формируется радиосигнал, у которого при каждой перестройке (смене) рабочей частоты происходит изменение ширины его спектра.
В то же время, применение несанкционированного алгоритма приема и обработки сформированного указанным образом сигнала приведет к затруднению определения его параметров, что, согласно (см. 7. Борисов В.И. Помехозащищенность систем радиосвязи. Основы теории и принципы реализации: Монография. М.: Наука, 2009. - 358 с.), (см. 5. Пшеничников А.В. Модели и методы помехозащиты радиолиний: Монография. СПб.: ВАС, 2017. - 136 с.), приводит к повышению помехозащищенности радиолинии, т.е. достижению технического результата.
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:
Фиг. 1 а) информационная последовательность;
б) преобразование вейвлет-функциями;
в) однополосная модуляция на промежуточной частоте;
г) демодуляция сигнала однополосной модуляции на промежуточной частоте;
д) формирование сигнала на рабочей частоте.
На фиг. 2 приведена блок-схема алгоритма реализации предлагаемого способа.
Реализация заявляемого способа помехозащищенной передачи дискретных сигналов в режиме ППРЧ с изменяемыми параметрами модуляции согласно фиг. 1 и 2 предусматривает выполнение следующих технических операций.
1. Первичный сигнал S(t) генерируют в негармоническом базисе (блок Т1, фиг. 2).
1
2
2
2. Формируют опорное колебание M(t), частоты которого ƒ, ƒ, …fn определяют в соответствии с заданной псевдослучайной кодовой последовательностью О(t) (блок Т2, фиг. 2).
3. Перемножают модулированный сигнал S(t) с опорным колебанием M(t) (блок Т3, фиг. 2).
1
4. Параметры формируемого сигнала выбирают в соответствии с заданной псевдослучайной кодовой последовательностью О(t) синхронно с изменением частоты опорного колебания M(t) (блок Т4, фиг. 2).
Процедуры по п. 1-п. 4 полностью идентичны аналогичным процедурам способа-прототипа.
1
2
5. Синхронно с каждым изменением частоты опорного колебания M(t) формируют кодовые слова на основе псевдослучайных последовательностей О(t) и О(t) (блок Т5, фиг. 2).
Процедура формирования кодовых слов из случайных последовательностей аналогична процедуре формирования вектора двоичных чисел, является известной и приведена (см. 8. патент РФ на избретение № 2710027, М. кл. Н04В 1/713, опубл. 24.12.2019 г.).
1
6. На передающей стороне полосу частот канала тональной частоты разбивают на две полосы на основе граничного значения частоты, которое выбирают с использованием кодового слова псевдослучайной последовательности О(t) (блок Т6, фиг. 2).
Разбиение полосы частот на несимметричные полосы основывается на делении диапазона частот на поддиапазоны со случайным значением коэффициента деления. Случайные значения коэффициента деления могут быть получены на основе формировании случайных чисел из случайных кодовых последовательностей, формирование которых является известным (см. 9. патент РФ на изобретение № 2281603, М. кл. H03K 3/84, опубл. 10.08.2006 г.). Процедура деления диапазона частот на поддиапазоны известна и приведена (см. 10. Дворников С.В. и др. Радиоприемные устройства. Учебник - СПб.: ВАС, 2016).
и
к1
к2
7. Из информационной последовательности U(t) формируют первое U(t) и второе U(t) кодовые слова (фиг. 1а, блок Т7, фиг. 2).
Данная процедура аналогична процедуре п. 5.
1
в1
в2
в3
в4
8. На основе кодовой последовательности O(t) выбирают порядок первой (U(t)), второй (U(t)), третьей (U(t)), четвертой (U(t)) вейвлет-функций (блок Т8, фиг. 2).
1
При реализации данной процедуры на основе кодовой последовательности O(t) формируется случайное число аналогично, например, способу (см. 9. патент РФ на изобретение № 2281603, М., кл. H03K 3/84, опубл. 10.08.2006 г.). Дальнейшая реализация процедуры основывается на формировании матрицы закреплении за каждым диапазоном генерируемых случайных чисел различного порядка вейвлет-функций. Генерация случайных чисел и, следовательно, выбор порядка вейвлет-функций осуществляется на данном этапе четыре раза. Причем выбранные номера вейвлет-функций исключаются из матрицы, а на их место перезаписываются резервные, что исключает совпадение вейвлет-функций. При такой реализации процедуры на данном этапе необходим выбор четырех различных вейвлет-функций.
к1
к2
в1
в2
в3
в4
к1
в1
в2
к2
в3
в4
9. Элементы первого U(t) и второго U(t) кодовых слов заменяют на радиоимпульсы, которые получают соответственно из первой (U(t)), второй (U(t)) и третьей (U(t)), четвертой (U(t)) вейвлет-функций, причем длину кодовых слов определяют исходя из значений сформированных в полосе канала тональной частоты ширины полос и порядка вейвлет-функций, а элементы первого кодового слова U(t) заменяют на радиоимпульсы первой U(t) и второй U(t) вейвлет-функций, элементы второго кодового слова U(t) заменяют на радиоимпульсы третьей U(t) и четвертой U(t) вейвлет-функций (фиг. 1, б, блок Т9, фиг. 2).
Указанная процедура осуществляется на основе низкочастотной модуляции информационной последовательности вейвлет-функциями заданного порядка. Этапы формирования являются известными и представлены (см. 11. патент РФ на изобретение № 2578677, М., кл. H04L 27/22, опубл. 27.03.2016 г.).
к1
к1
в1
в2
к2
к2
в3
в4
Особенностью данной процедуры является то, что при формировании первичного сигнала S(t) на основе первого кодового слова U(t) используются радиоимпульсы на основе первой U(t) (при приходе логической единицы) и второй U(е) (при приходе логического нуля) вейвлет-функций, при формировании первичного сигнала S(t) на основе второго кодового слова U(t) - радиоимпульсы на основе третьей U(t) (при приходе логической единицы) и четвертой U(t) (при приходе логического нуля) вейвлет-функций (фиг. 1, б).
к1
к2
Причем количество радиоимпульсов выбирается исходя из условия, чтобы ширина спектра, сформированного на основе первого кодового слова непрерывного первичного сигнала S(t) не превышала ширину первой полосы частот, на основе второго кодового слова S(t) - ширину второй полосы частот, определенных в п. 6.
к2
к1
10. Радиоимпульсы второго кодового слова U(t) инвертируют и производят сложение с радиоимпульсами первого кодового слова U(t) блок Т10, фиг. 2).
Инверсия радиоимпульсов основывается на изменении фазы сформированного сигнала на 180° на основе фазовращателей. Сложение радиоимпульсов основывается на их объединении на основе сумматоров в один первичный сигнал S(е). При этом сначала суммируются импульсы первого кодового слова, далее второго с их последующим сложением (фиг. 1б).
пч
ом
11. На основе полученного первичного сигнала S(t) на промежуточной частоте ƒ формируют сигнал однополосной модуляции U(ƒ) (фиг. 1, в, блок Т11, фиг. 2).
Формирование сигнала однополосной модуляции является известным (см. 12. патент РФ на изобретение № 2329527, М. кл. G02F 7/00, опубл. 20.07.2008 г.). Выбор значения промежуточной частоты также является известной операцией (см. 13. патент РФ на изобретение № 2161373, М. кл. Н04В 7/26, опубл. 27.12.2000 г.) или (см. 10. Дворников С.В. и др. Радиоприемные устройства. Учебник. - СПб.: ВАС, 2016).
ом
пч
гр
1
12. Производят демодуляцию сформированного однополосного сигнала U(ƒ) (фиг. 1, в), причем частоту несущей при демодуляции выбирают равной сумме значений промежуточной частоты и граничного значения частоты: ƒ+ƒ, полученного в соответствии с кодовым словом псевдослучайной последовательности O(t) (фиг. 1, г, блок Т12, фиг. 2).
Операция демодуляции сигнала однополосной модуляции основывается на методах синхронного детектирования, является известной и приведена (см. 14. патент РФ на изобретение № 2127018, М. кл. H03D 3/00, опубл. 27.02.1999 г.) или (см. 10. Дворников С.В. и др. Радиоприемные устройства. Учебник. - СПб.: ВАС, 2016). Отличительной особенностью данной процедуры является выбор частоты, несущей при демодуляции, равной сумме значений промежуточной частоты и граничного значения частоты, что определяет номинал несущей в спектре информационного сигнала. Демодуляция относительно такого значения несущей согласно (см. 15. Верзунов М.В. Однополосная модуляция в радиосвязи: Монография. Воениздат, 1972. - 296 с.), (см. 10. Дворников С.В. и др. Радиоприемные устройства. Учебник. - СПб.: ВАС, 2016) обуславливает проявление асинхронизма в радиолинии.
дм ом
2
p
13. На основе демодулированного сигнала на рабочей частоте U(ƒ) (фиг. 1, г), определяемой кодовым словом последовательности О(t), формируют сигнал однополосной модуляции U(ƒ) (фиг. 1, д), который излучают в сторону корреспондента. Изменяют частоту опорного колебания M(t) (блок Т13, фиг. 2).
дм ом
Выбор и изменение рабочей частоты опорного колебания M(t) осуществляется в соответствии с алгоритмом практической реализации режима ППРЧ аналогично способу-прототипу. Формирование однополосного радиосигнала на рабочей частоте осуществляется аналогично п. 5 за исключением того, что первоначально частоту сформированного радиосигнала U(ƒ) (фиг. 1, г) увеличивают с нулевой частоты на 300 Гц.
2
p
14. На приемной стороне после выбора рабочей частоты колебания M(t) в соответствии с кодовым словом последовательности О(t) демодулируют сигнал однополосной модуляции U(ƒ) (фиг. 1, д, блок Т14, фиг. 2).
Выбор рабочей частоты аналогичен способу-прототипу и осуществляется на основе алгоритма технической реализации режима ППРЧ. Демодуляция сигнала однополосной модуляции аналогична п. 12, за исключением того, что после демодуляции частоту сигнала уменьшают на 300 Гц до нулевой частоты.
к1
к2
15. Производят разделение радиоимпульсов первого U(t) и второго U(t) кодовых слов (блок Т15, фиг. 2).
Поскольку фаза радиоимпульсов второго кодового слова отличается от фазы радиоимпульсов первого слова на 180°, операция разделения первого и второго кодовых слов осуществляется на основе фазового детектирования. Операция фазового детектирования известна и описана (см. 16. патент РФ на изобретение № 2485671, М. кл. H03D 3/00, опубл. 20.06.2013 г.) или (см. 10. Дворников С.В. и др. Радиоприемные устройства. Учебник. - СПб.: ВАС, 2016).
1
и
16. В соответствии с кодовой последовательностью O(t) производят замену радиоимпульсов на логические элементы информационной последовательности U(t), которую передают получателю сообщения (блок Т16, фиг. 2).
Операция по п. 16 является обратной п. 9 и представляет собой замену радиоимпульсов на элементы информационной битовой последовательности с последующей передачей получателю сообщения.
По результатам проведенного имитационного моделирования передачи дискретных сигналов в среде MatLAB на основе разработанного способа выявлена высокая вероятность ошибки демодуляции при неправильном алгоритме обработки радиосигнала, что согласно (см. 7. Борисов В.И. Помехозащищенность систем радиосвязи. Основы теории и принципы реализации: Монография. М.: Наука, 2009. - 358 с.) указывает на повышение помехозащищенности сформированного заявляемым способом радиосигнала и, следовательно, на достижение технического результата.