Способ формирования сигналов с расширенным спектром
METHOD OF GENERATING SIGNALS WITH A SPREAD SPECTRUM

Изобретение относится к помехозащищённым системам связи и позволяет формировать шумоподобные сигналы повышенной разведзащищённости с низким уровнем внеполосного излучения.
Среди известных методов расширения спектра наибольшее распространение получили метод скачкообразной перестройки частоты (frequency hopping, FH) и метод прямой последовательности (direct sequence, DS) [1]. В отечественной литературе сигналы, формируемые методом DS, называют шумоподобными (широкополосными) фазоманипулированными сигналами (ШПС). Методы их формирования и приема достаточно хорошо исследованы. Им посвящено большое количество научных публикаций, например [2], и патентов [3]. С другой стороны, так же хорошо исследованы методы их радиотехнической разведки (РТР). Разработаны методики определения несущей частоты сигналов, тактовой частоты и структуры модулирующих последовательностей [4]. Это снижает разведзащищенность радиосистем, использующих DS-сигналы.
Задачей изобретения является создание способа формирования сигналов, для которых методики РТР DS-сигналов непригодны. Достигаемый при использовании изобретения технический результат – повышение разведзащищенности систем связи и снижение уровня внеполосного излучения передающих устройств.
Наиболее близким по количеству совпадающих признаков с заявляемым способом является способ формирования сигналов с расширенным спектром, описанный в [5] и принятый в качестве прототипа.
Согласно этому способу формируют сигналы несущей и тактовой частот, из сигнала тактовой частоты формируют квазиортогональные или ортогональные псевдослучайные последовательности, одна из которых предназначена для синхронизации (СП), а  вторая – для передачи информации (ИП). Последовательности фазируют между собой, после чего ИП циклически сдвигают относительно СП на количество элементов, определяемое цифровыми данными, поступающими от источника информации за время, равное периоду псевдослучайных последовательностей. Циклически сдвинутую последовательность ИП складывают по модулю два с дополнительным битом информации и манипулируют по фазе сигнал несущей частоты. Формируют второй сигнал несущей частоты, сдвинутый относительно первого по фазе на 90 градусов, который манипулируют по фазе последовательностью СП и складывают с манипулированным первым сигналом несущей частоты.
Недостатком способа-прототипа является то, что формируемый сигнал принадлежит к классу шумоподобных фазоманипулированных сигналов (DS).
Для решения поставленной в изобретении задачи в способе формирования сигналов с расширенным спектром, заключающемся в том, что формируют две квазиортогональные псевдослучайные последовательности (ПСП), сфазированные между собой, синхронизирующую и информационную, информационную ПСП циклически сдвигают относительно синхронизирующей ПСП на количество элементов, определяемое передаваемым информационным символом, и складывают по модулю два с дополнительным битом информации, а также формируют два радиочастотных сигнала, отличающихся только фазами, разность которых составляет 90 градусов, и, дополнительно, согласно изобретению двоичные символы последовательностей заменяют целыми противоположными числами, формируют последовательность комплексных чисел, действительная часть которых является элементом одной преобразованной ПСП, а мнимая – элементом другой, дополняют последовательность нулевыми элементами до получения общего количества элементов, равного произведению , и разбивают на  сегментов длиной  элементов, каждый сегмент поэлементно умножают на элементы последовательности действительных положительных чисел, корректирующих форму спектра сигнала, дополняют в начале и конце нулевыми элементами до получения общего количества элементов, равного целой степени числа два, и осуществляют его обратное дискретное преобразование Фурье, последовательности действительных и мнимых частей полученных отсчетов преобразуют в аналоговые сигналы в цифро-аналоговых преобразователях (ЦАП), фильтруют в фильтрах нижних частот (ФНЧ), умножают на радиочастотные сигналы и складывают.
Способ формирования сигналов с расширенным спектром заключается в последовательном выполнении следующих операций.
1. Формируют две квазиортогональные ПСП, сфазированные между собой, синхронизирующую и информационную.
2. Информационную ПСП циклически сдвигают на количество элементов, определяемое передаваемым информационным символом, и складывают по модулю два с дополнительным битом информации.
3. Двоичные символы синхронизирующей ПСП и видоизмененной информационной ПСП заменяют целыми противоположными числами (в общем случае они могут быть разными для синхронизирующей ПСП и информационной ПСП, что позволяет перераспределить мощность сигнала между синхронизирующим сигналом и сигналом, передающим информацию).
4. Формируют последовательность комплексных чисел, действительная часть которых является элементом одной преобразованной ПСП, а мнимая –элементом другой.
5.  Дополняют полученную последовательность нулевыми элементами до получения общего количества элементов равного  и разбивают на  сегментов длиной    элементов.
6. Каждый сегмент поэлементно умножают на элементы последовательности действительных положительных чисел, корректирующих форму спектра сигнала, и дополняют в начале и конце нулевыми элементами до получения общего количества элементов, равного целой степени числа два.
7. Осуществляют обратное дискретное преобразование Фурье полученной последовательности.
8. Последовательности действительных и мнимых частей полученных отсчетов преобразуют в аналоговые сигналы в ЦАП.
9. Выходные сигналы ЦАП фильтруют в ФНЧ (для подавления гармоник).
10. Формируют два радиочастотных сигнала, отличающиеся только фазами; разность фаз при этом составляет 90 градусов.
11. Выходные сигналы ФНЧ умножают на радиочастотные сигналы и складывают.
Рассмотрим математическое описание процессов формирования сигнала.
Элементы синхронизирующей ПСП обозначим как,
где    – длина (количество элементов) ПСП.
Элементы информационной ПСП, циклически сдвинутой на  элементов, обозначим как , а дополнительный бит информации – .
После преобразования символов элементы последовательностей принимают вид
, где ,  – целые числа.
Элементы последовательности комплексных чисел после дополнения её нулевыми элементами можно представить в виде
при         ,
при        .
Общее количество элементов  равно
Доопределим  последовательности    и      на   интервале
, приняв  значения  их  элементов  равными  нулю, тогда для всех
Разобьем последовательность  на  сегментов длиной  элементов и обозначим последовательность элементов  сегмента как
,
тогда
Далее производится поочередная обработка каждой последовательности   длиной , начиная с       и  до   .
После умножения элементов -го сегмента на последовательность действительных положительных чисел , корректирующую форму спектра сигнала, и дополнения нулевыми элементами формируется последовательность , элементы которой имеют вид
при          ,
при                 и  ,  а    .
В результате обратного дискретного преобразования Фурье формируются отсчеты  ,
Действительные и мнимые части отсчетов имеют вид
Если эти отсчеты следуют с частотой W, то на выходах ФНЧ формируются сигналы
где   ,
Последовательность  выбирают так, чтобы   , т.е.
После умножения выходных сигналов ФНЧ на радиочастотные сигналы, частота которых равна  а начальная фаза одного из них равна  и сложения полученных произведений образуется сигнал
S
Сигнал, полученный после преобразования всех  сегментов, имеет вид
где
Общая длительность сигнала равна . Сигнал  образован элементами синхронизирующей ПСП, поэтому будем называть его синхронизирующим. Сигнал , будем называть информационным. Эти два сигнала обладают следующими свойствами.
1. На интервале времени  сигналы ортогональны.
2. Энергия синхронизирующего сигнала на интервале времени
3.  Энергия информационного сигнала на интервале времени
4. Полная энергия сигнала на интервале времени  равна
5. Информационные сигналы, соответствующие различным циклическим сдвигам информационной ПСП, на интервале времени  квазиортогональны.
Взаимная корреляция двух информационных сигналов, соответствующих циклическим сдвигам  информационной ПСП, на интервале времени  определяется как
где     – автокорреляционная функция информационной ПСП.
Так как  при , то  при , а это и есть условие квазиортогональности сигналов.
Оптимальный прием информации включает в себя вычисление взаимной корреляции принимаемого сигнала с синхронизированными копиями всех возможных информационных сигналов без учета дополнительного бита информации и определение циклического сдвига  копии с максимальным по абсолютной величине значением взаимной корреляции с принимаемым сигналом [1].
По величине  определяют передаваемый символ информации, а по знаку соответствующего значения взаимной корреляции определяют значение дополнительного бита информации.
6. Ширина спектра сигналов
база сигналов
7. Средняя cпектральная плотность мощности сигнала в полосе рабочих частот
8.  Отношение средней спектральной плотности мощности сигнала к его средней спектральной плотности мощности в полосе рабочих частот при отстройке от крайних рабочих частот на величину  составляет
Отсюда следует, что например при   и отстройке частоты на 10% полосы   средняя спектральная плотность мощности падает на 20 дБ.
Для сравнения, ослабление спектральной плотности мощности фазоманипулированного ШПС составляет всего 13 дБ при отстройке на 25% полосы рабочих частот, измеренной по первым нулям спектра сигнала.
9. Формируемые сигналы можно классифицировать как сигналы с расширенным спектром, так как выполняются следующие условия [1], распространённые на случай недвоичных ансамблей сигналов:
– для передачи информации используется ансамбль сигналов с большой базой;
– прием информации осуществляется путем сопоставления полученного сигнала с синхронизированными копиями ансамбля сигналов.
10. Существующие методы РТР, применимые к фазоманипулированным ШПС, для заявляемых сигналов непригодны. Более того, для них не существуют такие понятия, как тактовая частота ПСП и несущая частота сигнала. Можно говорить о центральной частоте спектра сигнала, но определить её простыми нелинейными преобразованиями сигнала и фильтрацией невозможно. Любой метод точной оценки параметров сигналов потребует сложного анализа спектра сигналов, причем при очень высоком отношении сигнал/шум.
Таким образом, сигналы, формируемые согласно заявляемому способу, обладают более высокой разведзащищенностью, чем DS-сигналы.
Отдельно рассмотрим назначение синхронизирующего сигнала. Он необходим для решения в приемном устройстве следующих задач:
– обнаружение факта наличия сигнала;
– определение его временной задержки;
– слежение за изменением временной задержки;
– слежение за изменением фазы сигнала (фазовая автоподстройка частоты).
В системах связи с фазоманипулированными ШПС в качестве синхронизирующего сигнала используется сигнал несущей частоты, манипулированный по фазе периодической ПСП. Функция автокорреляции такого сигнала имеет ярко выраженный пик шириной, равной удвоенной длительности элемента ПСП, что позволяет решать вышеперечисленные задачи при высокой помехозащищенности.
Для того, чтобы оценить возможности заявляемого синхронизирующего сигнала, рассмотрим его автокорреляционную функцию (АКФ)
Можно показать, что при а  при
где        .
Как видно, огибающая АКФ имеет ярко выраженный пик шириной  уровень которого на 13 дБ превышает уровень соседних пиков, что позволяет обнаруживать сигнал, повышать помехозащищенность, а также определять задержку, отслеживать её изменение и изменение фазы .
Пример технической реализации устройства формирования сигнала согласно заявляемому способу приведен на фиг.1. Устройство содержит:
1 – последовательно-параллельный преобразователь;
2 – генератор информационной ПСП;
3 – генератор синхронизирующей ПСП;
4 – счетчик по модулю ;
5 – счетчик по модулю ;
6 – сумматор по модулю два;
7, 8 –преобразователи кода;
9 – постоянное запоминающее устройство коэффициентов коррекции спектра (ПЗУ);
10, 11 – умножители;
12 – ключ;
13 – триггер;
14, 15 – коммутаторы;
16 – ключ;
17 – счетчик-распределитель;
18 – блок обратного дискретного преобразования Фурье (блок ОДПФ);
19, 20 – цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП);
21 – синтезатор частот;
22, 23 – фильтры нижних частот (ФНЧ);
24 – фазовращатель
25, 26 – перемножители;
27 – сумматор.
Устройство работает следующим образом. Передаваемая двоичная информация поступает на последовательно-параллельный преобразователь 1, в котором разделяется на двоичные символы, поступающие на входы начальной установки генератора информационной ПСП 2. Генератор информационной ПСП 2, так же как и генератор синхронизирующей ПСП 3, выполнен на основе универсального регистра с сумматором по модулю два в цепи обратной связи выхода со входом. Входами начальной установки генераторов являются входы параллельной записи регистров. Тактовый вход каждого генератора является тактовым входом регистра, а вход разрешения начальной установки – входом выбора режима параллельной записи регистра.
Синтезатор частот 21 вырабатывает гармонический сигнал частоты  и тактовые импульсы частоты , которые поступают на тактовые входы ЦАП 19, 20, счетчика-распределителя 17 и блока ОДПФ 18, а также на вход ключа 12. Счетчик-распределитель 17 осуществляет счет импульсов, следующих с частотой , по модулю числа  и вырабатывает импульсы синхронизации в момент своего последнего -го состояния, которые поступают на блок ОДПФ 18, вход установки триггера 13 и тактовый вход счетчика по модулю 5. Кроме того, он вырабатывает импульс управления коммутаторами 14, 15 длительностью от го состояния счетчика до го состояния, поступающие через открытый ключ 16 на входы управления коммутаторов 14, 15 и ключа 12.
Пока этот импульс отсутствует, ПЗУ 9 находится в исходном состоянии, а ключ 12 закрыт. После появления импульса управления коммутаторами 14,  15 ключ 12 открывается и пропускает тактовые импульсы частоты  на тактовые входы генераторов ПСП 2, 3, ПЗУ 9 и счетчика по модулю  4. Генераторы ПСП 2, 3 начинают формировать очередные сегменты ПСП, а ПЗУ 9 – последовательность коэффициентов коррекции спектра
Синхронизирующая ПСП поступает в преобразователь кода 8, где преобразуется в последовательность чисел  и минус . Информационная ПСП складывается в сумматоре по модулю два 6 с дополнительным битом информации, поступающим с одного из выходов последовательно-параллельного преобразователя 1, и  в  преобразователе кода 7 преобразуется в последовательность чисел  и минус Выходные сигналы преобразователей кода 7 и 8 поступают на умножители  10 и 11, где умножаются на формируемые ПЗУ 9 числа.
Выходные сигналы умножителей  10 и 11 подаются на входы коммутаторов  14  и  15. При отсутствии импульса управления коммутаторами  14, 15 на их выходах устанавливаются коды, соответствующие нулевым числам, поэтому в это время в блок ОДПФ 18 записываются нулевые данные с частотой . После прихода импульса управления коммутаторами 14, 15 в блок ОДПФ 18 начинают записываться данные с выходов умножителей  10  и  11, объединяемые в комплексные числа. После пропадания импульса управления коммутаторами 14, 15 в блок ОДПФ 18 продолжают записываться нулевые данные до появления импульса синхронизации с выхода счетчика-распределителя 17.
По приходу этого импульса записывается последнее нулевое данное, и блок ОДПФ 18 переключается на запись нового массива данных и обработку записанного массива. Преобразованные данные выдаются на выход блока ОДПФ 18 с той же частотой , что и записываются, но с некоторой задержкой. Последовательность действительных частей выходных данных блока ОДПФ 18 поступает на ЦАП 19, а мнимых частей – на ЦАП 20. Выходные сигналы ЦАП 19 и ЦАП 20 фильтруются в ФНЧ 22 и ФНЧ 23 соответственно. Фильтры нижних частот 22 и 23 имеют полосу пропускания не менее, чем ,  и частоту задерживания не более .
Выходные сигналы фильтров поступают на перемножители 25 и 26, где умножаются на гармонические сигналы частоты , разность фаз которых составляет 90 градусов. На перемножитель 26 гармонический сигнал поступает непосредственно с выхода синтезатора частот 21, а на перемножитель 25 –  с выхода фазовращателя 24, в котором выходной сигнал синтезатора частот 21 сдвигается по фазе на 90 градусов. Выходные сигналы перемножителей 25, 26 складываются в сумматоре 27, выход которого является выходом формирователя.
Импульс синхронизации с выхода счетчика-распределителя 17 поступает на тактовый вход счетчика по модулю  5, отсчитывающий количество преобразованных сегментов ПСП. Счетчик по модулю  4  отсчитывает количество сформированных элементов ПСП. В своем - 1 – ом состоянии он формирует на выходе импульс, который поступает на входы разрешения начальной установки генераторов 2, 3, вход управления последовательно-параллельного преобразователя 1 и тактовый вход триггера 13. Последовательно-параллельный преобразователь 1 формирует на выходах код очередного передаваемого символа информации и дополнительный бит. По приходу очередного тактового импульса частоты  в регистр генератора информационной ПСП 2 записывается код передаваемого символа информации, а в регистр генератора синхронизирующей ПСП 3 – фиксированный код.
При этом импульс на выходе счетчика по модулю  4 пропадает и своим задним фронтом записывает в триггер  13 логический 0. Выходной сигнал триггера 13 закрывает ключ  16. При этом закрывается ключ 12, и тактовые импульсы частоты  перестают поступать на тактовые входы генераторов ПСП 2, 3. Коммутаторы 14, 15 формируют на выходах коды нулевых чисел, поэтому в качестве последних  элементов последнего  – го сегмента ПСП в блок ОДПФ 18 записываются нулевые числа. С приходом очередного импульса синхронизации с выхода счетчика-распределителя 17 триггер 13 устанавливается в состояние логической 1, и ключ 16 открывается. Счетчик по модулю  5 формирует на выходе импульс, устанавливающий счетчик по модулю  4 в нулевое состояние, и начинается процесс формирования сигнала с новым информационным символом.
ИСТОЧНИКИ ИНФОМАЦИИ
1. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. – 1104с., с.733-819.
2. Борисов В. И. и др. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью – М.: Радио и связь, 2003. – 641с.
3. Патент RU 2265962 С1. Устройство для формирования сложного фазоманипулированного сигнала. Опубликован 10.12.2005.
4. Смирнов Ю. А. Радиотехническая разведка. – М: Воениздат, 2001. – 452с.
5. Патент RU 2279183 С2. Способ передачи информации в системе связи с широкополосными сигналами. Опубликован 27.06.2006. Бюл. №18.