Способ помехозащищенной передачи и приема информации на основе частотно-манипулированных сигналов
METHOD FOR NOISE-PROOF TRANSMISSION AND RECEPTION OF INFORMATION BASED ON FREQUENCY-SHIFT KEYED SIGNALS

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для применения в помехозащищенных радиоэлектронных системах (РЭС), в том числе в системах радиосвязи.
Известен «Способ передачи информации по коротковолновому каналу связи с использованием частотно-манипулированных сигналов» (Патент РФ № 2519011 от 10.06.2014, МПК Н04L 27/22, опубл. 10.06.2014, Бюл. № 16).
N
М
N
n
n
M·N
2
В известном способе сигналы на поднесущих частотах принимают как независимые частотно-разнесенные амплитудно-манипулированные колебания с оценкой уровня сигнала и помех, производят оценку качества и принимают решение о значении передаваемого символа, которое зависит от полученных оценок качества сигналов на поднесущих частотах, причем количество частотно-разнесенных подканалов равно числу , которое больше двух, а в каждом подканале для обеспечения минимального пик-фактора радиосигнала передачу осуществляют последовательно по времени на одной из  частот, излучая радиоимпульсы длительностью в  раз меньшей длительности символа передаваемого сообщения. Время излучения и частоту излучения радиоимпульса в каждом подканале выбирают в зависимости от значения передаваемого -элементного (=log()) символа, а решение о значении принимаемого символа выносят с учетом оценок качества принимаемых импульсов в каждом частотно-разнесенном подканале по критерию отношения максимального значения отсчета, полученного по значениям времени и частот.
Однако известный способ обладает низкой помехозащищенностью приема сигналов в условиях радиоизлучений, создаваемыми другими радиоэлектронными средствами (РЭС) в полосе частот формируемого радиоизлучения.
Известен «Способ формирования сигнала с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты» (ППРЧ) (Патент РФ № 2648291 от 24.11.16, МПК Н04В 1/713, опубл. 23.03.2018, Бюл. № 9).B известном способе генерирование первичного сигнала осуществляется в базисах функций сплайн-характеров (БФСХ). Далее проводится его модуляция цифровой последовательностью. Модулированный сигнал перемножается с опорным колебанием. Причем частоты опорного колебания определяют в соответствии с первой заданной случайной кодовой цифровой последовательностью, а значения изменяющихся параметров БФСХ выбирают в соответствии со второй заданной псевдослучайной кодовой цифровой последовательностью синхронно с изменением частоты опорного колебания.
Однако известный способ обладает низкой помехозащищенностью приема сигналов в условиях радиоизлучений, создаваемыми другими РЭС в полосе частот формируемого радиоизлучения.
»
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению, является «Способ передачи информации по коротковолновому каналу связи с использованием частотно-манипулированных сигналов(Патент РФ № 2705357 от 11.07.2019, МПК Н04L 27/22, опубл. 07.11.2019, Бюл. № 31).
В способе-прототипе методами частотной манипуляции формируют радиосигнал перестановочной модуляции на основе кодирования информационного слова последовательностью с постоянным весом. Количество поднесущих формируемого радиосигнала выбирают в соответствии с разрядностью кода. Информационный поток двоичных бит разбивают на информационные блоки в соответствии с числом доступных комбинаций и формируют сигналы в виде амплитудно-манипулированных колебаний на длительности каждого передаваемого символа только на тех поднесущих, которым соответствуют информационные единицы. Формирование радиосигнала осуществляют на основе аддитивного объединения сформированных сигналов. Принимаютрезультирующий частотно-манипулированный сигнал на поднесущих частотах как независимые частотно-разнесенные амплитудно-манипулированные колебания.
Недостатком известного способа-прототипа является относительно низкая помехозащищенность приема сигналов в условиях радиоизлучений, создаваемыми другими РЭС в полосе частот формируемого радиоизлучения.
Целью изобретения является создание способа позволяющего формировать частотно-манипулированные сигналы в пределах выделенных частотных интервалов для передачи, в соответствии с уникальными доступными комбинациями выбранного кода с постоянным весом.
Техническим результатом является повышение помехозащищенности передачи и приема сигналов в условиях воздействия радиоизлучений сторонних РЭС, локализованных в полосе приема сигналов.
Технический результат достигается тем, что в способе помехозащищенной передачи и приема информации на основе частотно-манипулированных сигналов, заключающимся в том, что выбирают код с постоянным весом для кодирования поднесущих таким образом, чтобы разрядность кода соответствовала числу доступных для передачи поднесущих, разбивают битовый поток на информационные блоки в соответствии с числом доступных комбинаций кода, определяющих его алфавит, ставят в соответствие каждому информационному блоку свою уникальную комбинацию элементов кода с постоянным весом, которая определяет передаваемый символ, а сигналы формируют в виде амплитудно-манипулированных колебаний на длительности каждого передаваемого символа только на тех поднесущих, которым соответствуют информационные единицы, определяемые комбинацией элементов кода с постоянным весом, причем формируют результирующий частотно-манипулированный сигнал путем аддитивного сложения колебаний всех поднесущих, принимают результирующий частотно-манипулированный сигнал на поднесущих частотах как независимые частотно-разнесенные амплитудно-манипулированные колебания, при этом оценивают качество сигнала на поднесущих путем сравнения рассчитанного среднего значения мощности его спектральных компонент в пределах каждой из поднесущих, с рассчитанной величиной среднего значения мощности сигнала на длительности принятого символа на всех поднесущих, а решение о передаче информационной единицы в пределах каждой из поднесущих принимают, если рассчитанное среднее значение мощности спектральных компонент в пределах поднесущей превысит рассчитанную величину среднего значения мощности на длительности принятого символа на всех поднесущих, в противном случае принимают решение о передаче информационного нуля, причемдополнительно задают диапазон частот, в котором выделяют список рабочих частот, количество которых определяют как результат произведения числа поднесущих, необходимых для передачи одного информационного блока, на число комбинаций выбранного кода с постоянным весом, которое будет использовано для передачи сообщений, разбивают заданный диапазон частот на частотные интервалы таким образом, чтобы в каждом частотном интервале количество рабочих частот строго соответствовало разрядности кода с постоянным весом, определяющей один передаваемый информационный блок, закрепляют за каждым частотным интервалом уникальную доступную комбинацию кода с постоянным весом, определяющую один передаваемый информационный блок, последовательно, в соответствии с текущей информационной битовой последовательностью, формируют результирующий частотно-манипулированный сигнал, соответствующий уникальной доступной комбинации выбранного кода с постоянным весом, определяющей один из информационных блоков излучают радиосигнал  и принимают его во всем заданном диапазоне частот на всех рабочих частотах, в пределах каждого частотного интервала для каждой поднесущей из списка рабочих частот принимают решение о передаче информационного нуля или единицы, формируют информационные блоки из комбинаций нулей и единиц для каждого частотного интервала, сравнивают сформированные информационные блоки с информационными блоками, определяемыми уникальными доступными комбинациями выбранного кода с постоянным весом, выбирают из сформированных информационных блоков тот блок, у которого наблюдается максимальное совпадение с одной из уникальных доступных кодовых комбинаций выбранного кода с постоянным весом, и передают его получателю, если в ходе сеанса связи в пределах частотных интервалов не будет выявлено соответствующих совпадений, позволяющих однозначно сопоставить комбинации сформированных информационных блоков с информационными блоками, определяемых уникальными доступными комбинациями элементов выбранного кода с постоянным весом, то принимают решение о замене списка рабочих частот.
Заявляемый технический результат достигается благодаря новой совокупности существенных признаков.
Поясним возможность достижения технического результата.
В способе-прототипе реализуется алгоритм формирования частотно-манипулированного сигнала (ЧМС) на основе метода перестановочной модуляции, кодированной кодом с постоянным весом (КПВ), который позволяет только обнаруживать ошибки вызванные воздействием радиоизлучений сторонних РЭС, локализованных по спектру с формируемым радиосигналом (далее по тексту радиоизлучения сторонних РЭС определены как помехи).
В заявляемом техническом решении формирование ЧМС происходит в соответствии с уникальными комбинациями элементов КПВ в пределах заданных частотных интервалов, которым ставят в соответствие уникальные комбинации элементов КПВ. В результате, в пределах конкретного частотного интервала может находиться ЧМС только строго определенной структуры, у которого количество и порядок следования активных поднесущих определено положением информационных единиц в уникальной доступной комбинации КПВ.
Следовательно, на приемной стороне достаточно в пределах каждого из заданных частотных интервалов по результатам сравнения рассчитанного среднего значения мощности спектральных компонент сигналов на каждой из поднесущих, с рассчитанной величиной среднего значения мощности сигнала на длительности принятого символа на всех поднесущих, получить последовательность информационных единиц и нулей, характеризующих информационный блок.
И затем в результате сравнения полученного информационного блока с комбинациями информационных блоков, которые использовались при кодировании заданных частотных интервалов найти тот, с которым обеспечивается максимальное совпадение по количеству и порядку следования информационных единиц.
Поскольку заданным частотным интервалам в строгое соответствие поставлены уникальные комбинации элементов КПВ, то этот факт используется как дополнительный признак при определении соответствия комбинациям нулей и единиц полученного информационного блока, комбинациям нулей и единиц информационных блоков. В результате ошибки в комбинации нулей и единиц полученного информационного блока, вызванные помехами, могут быть исправлены на приемной стороне на этапе проведения процедуры сравнения с комбинациями информационных блоков, как раз за счет использования дополнительного признака частотного интервала.
В качестве примера на фиг. 2 показана информационная комбинация 1101000, соответствующая частотному интервалу II на передающей стороне, и спектр сформированного в пределах этого частотного интервала ЧМС.
На фиг. 3 показаны полученные на приемной стороне спектры сигналов в пределах частотных интервалов заданного диапазона частот, и сформированные соответствующие им информационные блоки полученных комбинаций нулей и единиц.
Так, частному интервалу I соответствует сформированный информационный блок 0000010; частному интервалу II – 1101010; частному интервалу III – 0010100.
Очевидно, что ни один из сформированных информационных блоков не соответствует информационным блокам, закрепленным за каждым частотным интервалом на этапе передачи. Поскольку информационными блоками, закрепленными за каждым частотным интервалом на этапе передачи для рассматриваемого примера, см. фиг. 1, являются: для частного интервала I – информационный блок 0011010; для частного интервала II – 1101000; для частного интервала III – 1000110.
Вместе с тем сравнительный анализ сформированных информационных блоков и закрепленных информационных блоков позволяет заключить, что наибольшее соответствие наблюдается у сформированного блока 1101010, закрепленному за частотным интервалом II информационному блоку 1101000. Это позволяет сделать правильный выбор, несмотря на помеху Z в частотном интервале II, которая привела к ошибочной комбинации, когда вместо 0 принято решение о наличии 1 на шестой позиции кодовой комбинации.
Кроме того, следует отметить, что закрепление за каждым частотным интервалом уникальной доступной комбинации КПВ позволяет исключить неправильное принятие решение в случае возникновения в результате помех допустимой комбинации КПВ в пределах частотного интервала, которому эта комбинация изначально не соответствовала.
Например, если для частного интервала I по результатам обработки сигнала на приеме будет сформирован информационный блок 1101000, комбинация которого соответствует информационному блоку частотного интервала II, то предлагаемое техническое решение позволит выявить указанное несоответствие.
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг. 1 – порядок разбиения заданного диапазона частот на частотные интервалы и закрепление за частотными диапазонами уникальных комбинаций информационных битов;
фиг. 2 – спектр сформированного на передающей стороне результирующего ЧМС в пределах частотного интервала II, которому соответствует информационная комбинация 1101000;
фиг. 3 – спектр принятого ЧМС в условиях шумов и помех в полосе заданного диапазона частот, с рассчитанными значениями порогов G1, G2, G3 в пределах каждого частотного интервала, и получаемые комбинации информационных кодов.
Реализация заявляемого способа осуществляется следующим образом:
1. Выбирают код с постоянным весом для кодирования поднесущих таким образом, чтобы разрядность кода соответствовала числу доступных для передачи поднесущих.
2. Разбивают битовый поток на информационные блоки в соответствии с числом доступных комбинаций кода, определяющих его алфавит.
3. Ставят в соответствие каждому информационному блоку свою уникальную комбинацию элементов кода с постоянным весом, которая определяет передаваемый символ.
Процедуры пунктов 1, 2 и 3 аналогичны процедурам, описанным в способе-прототипе.
4. Дополнительно задают диапазон частот, в котором выделяют список рабочих частот, количество которых определяют как результат произведения числа поднесущих, необходимых для передачи одного информационного блока, на число комбинаций выбранного кода с постоянным весом, которое будет использовано для передачи сообщений.
Для рассматриваемого примера выбран КПВ 7/3, у которого каждый символ имеет 7 знаков, из которых 3 всегда являются единицами.
Тогда, если предполагается что для передачи сообщений будет использовано всего три комбинации выбранного КПВ, то список рабочих частот должен содержать 21 рабочую частоту. Следовательно, должен быть задан диапазон частот, в котором должно содержаться 21 рабочая частота, пригодная для передачи сообщений.
В качестве примера, на фиг. 1 показан заданный диапазон частот с границами от f1 до f2, в котором содержится 21 рабочая частота.
5. Разбивают заданный диапазон частот на частотные интервалы таким образом, чтобы в каждом частотном интервале количество рабочих частот строго соответствовало разрядности кода с постоянным весом, определяющей один передаваемый информационный блок.
На фиг. 1 показан принцип разбивки заданного диапазона частот от f1 до f2 на три частотных интервала. При этом в каждом частотном интервале содержится по семь рабочих частот, в соответствии с выбранным КПВ.
6. Закрепляют за каждым частотным интервалом уникальную доступную комбинацию кода с постоянным весом, определяющую один передаваемый информационный блок.
Реализация этапа предполагает, что количества заданных рабочих частот в пределах частотного интервала будет достаточно для формирования информационного блока выбранного КПВ с уникальной комбинацией кода.
В качестве примера на фиг. 1 показан уникальный код заданного КПВ. Для частотного интервала I – это комбинация 0011010, для частотного интервала II – это комбинация 1101000, для частотного интервала III – это комбинация 1000110.
Понятие уникальность кода подразумевает тот факт, что допустимая комбинация КПВ используется только один раз при кодировании (постановки в соответствие) частотного интервала.
7. Последовательно, в соответствии с текущей информационной битовой последовательностью, формируют результирующий частотно-манипулированный сигнал, соответствующий уникальной доступной комбинации выбранного кода с постоянным весом, определяющей один из информационных блоков. Формируют сигналы в виде амплитудно-манипулированных колебаний на длительности каждого передаваемого символа только на тех поднесущих, которым соответствуют информационные единицы, определяемые комбинацией элементов кода с постоянным весом, причем формируют результирующий частотно-манипулированный сигнал путем аддитивного сложения колебаний всех поднесущих.
Указанная процедура аналогична способу-прототипу. Но при этом результирующий ЧМС формируется строго в пределах частотного интервала.
В качестве примера, на фиг. 2 показан ЧМС, сформированный в пределах частотного интервала II. При этом комбинация активных рабочих частот сигнала ЧМС соответствует значениям информационных единиц в информационном блоке, используемого для кодирования частотного интервала II.
8. Излучают радиосигнал.
Реализация указанной процедуры известна и описана, например, в (Патент РФ № 2450458 от 10.05.2012. Способ радиоподавления каналов связи).
9. Принимают результирующий частотно-манипулированный сигнал на поднесущих частотах как независимые частотно-разнесенные амплитудно-манипулированные колебания. При этом принимают радиосигнал во всем заданном диапазоне частот на всех рабочих частотах.
Реализация указанной процедуры известна и описана, например, в (Патент РФ № 22614768 от 27.09.2005. Способ распознавания радиосигналов).
В качестве примера на фиг. 3 показан спектр сигнала, принятого во всем заданном диапазоне частот, т.е. в пределах всех частотных интервалов.
10. При этом оценивают качество сигнала на поднесущих путем сравнения рассчитанного среднего значения мощности его спектральных компонент в пределах каждой из поднесущих, с рассчитанной величиной среднего значения мощности сигнала на длительности принятого символа на всех поднесущих.
Указанные процедуры реализуются аналогично процедурам, представленным в способе-прототипе. При этом полагается, что принятый символ может находиться только в пределах частотного интервала.
На фиг. 3 показаны уровни рассчитанной величины среднего значения мощности сигнала на длительности принятого символа на всех поднесущих. При этом указанные уровни рассчитаны в пределах частотных интервалов, соответственно, G1, G2, G3.
11. Решение о передаче информационной единицы в пределах каждой из поднесущих принимают, если рассчитанное среднее значение мощности спектральных компонент в пределах поднесущей превысит рассчитанную величину среднего значения мощности на длительности принятого символа на всех поднесущих, в противном случае принимают решение о передаче информационного нуля. При этом принимают решение о передаче информационного нуля или единицы строго в пределах каждого частотного интервала для каждой поднесущей из списка рабочих частот.
Указанные процедуры реализуют аналогично процедурам, представленным в способе-прототипе.
Для примера, на фиг. 3 показан принцип принятия решения о передаваемом значении единицы или нуля, путем сравнения рассчитанных средних значений мощности спектральных компонент в пределах поднесущей с пороговыми значениями, соответственно, G1, G2, G3.
12. Формируют информационные блоки из комбинаций нулей и единиц для каждого частотного интервала.
Информационные блоки формируют по результатам реализации процедур сравнения на этапе 11. В результате такого сравнения в пределах частотных интервалов получены информационные блоки. На фиг. 3 показаны значения сформированных информационных блоков.
Для частотного интервала I – это комбинация 0000010, для частотного интервала II – это комбинация 1101010, для частотного интервала III – это комбинация 0010100.
13. Сравнивают сформированные информационные блоки с информационными блоками, определяемыми уникальными доступными комбинациями выбранного кода с постоянным весом.
Сравнение может проводиться поэлементно.
Так, для рассматриваемого примера, представленного на фиг. 1 – фиг. 3.
Для частотного интервала I – сформированная комбинация 0000010, а исходная комбинация 0011010. Различия наблюдаются в третьей и четвертой позиции битов, когда на положении единицы наблюдается ноль.
Для частотного интервала II – сформированная комбинация 1101010, а исходная комбинация 1101000. Различия наблюдаются в шестой позиции битов, когда на положении нуля наблюдается единица.
Для частотного интервала III – сформированная комбинация 0010100, а исходная комбинация 1000110. Различия наблюдаются в первой, третьей и шестой позициях битов.
14. Выбирают из сформированных информационных блоков тот блок, у которого наблюдается максимальное совпадение с одной из уникальных доступных кодовых комбинаций выбранного кода с постоянным весом, и передают его получателю.
Выбор осуществляется по принципу минимальных различий. Для рассматриваемого примера, наименьшее значение указанные различия имеют для информационного блока частотного интервала II. Где сформированная комбинация 1101010 имеет различия с исходной комбинации 1101000 только в пределах одной позиции.
Соответственно получателю будет передан информационный блок 1101000.
15. Если в ходе сеанса связи в пределах частотных интервалов не будет выявлено соответствующих совпадений, позволяющих однозначно сопоставить комбинации сформированных информационных блоков с информационными блоками, определяемых уникальными доступными комбинациями элементов выбранного кода с постоянным весом, то принимают решение о замене списка рабочих частот.
Условия неоднозначности подразумевают следующие ситуации:
- максимальное совпадение с одной из уникальных доступных кодовых комбинаций выбранного КПВ составляет менее чем на шести позициях;
- в пределах двух и более частотных интервалов возникает ситуация неопределенности выбора, т.е. имеется одинаковое число совпадений по позициям.
На основании вышеизложенного становится очевидным, что за счет формирования ЧМС в пределах выделенных частотных интервалов для передачи, в соответствии с уникальными доступными комбинациями выбранного КПВ, обеспечивается повышение помехозащищенности передачи и приема информации в условиях воздействия радиоизлучений сторонних РЭС, локализованных в полосе приема сигналов.