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

Изобретение относится к помехозащищённым системам связи, позволяет формировать шумоподобные сигналы с повышенной скоростью передачи информации и разведзащищённостью, а также 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, и в связи с этим значительно усложняет организационно-технические мероприятия при проведении испытаний таких радиосистем.
Задачей изобретения является создание способа формирования сигналов, для которых методики РТР DS-сигналов непригодны, а скорость передачи информации значительно выше, чем у DS-сигналов. Достигаемый при использовании изобретения технический результат – повышение разведзащищенности систем связи и скорости передачи информации, а также снижение уровня внеполосного излучения передающих устройств. Наиболее близким по количеству совпадающих признаков к заявленному является способ расширения спектра, описанный в [5].
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) длиной  элементов, сфазированные между собой, синхронизирующую и информационную, информационную ПСП циклически сдвигают относительно синхронизирующей ПСП на количество элементов, определяемое передаваемым информационным символом, а также формируют два радиочастотных сигнала, отличающихся только фазами, разность которых составляет 90 градусов, и, дополнительно, согласно изобретению формируют две составные последовательности, состоящие из  сегментов длиной  элементов, каждый сегмент одной из них является циклически сдвинутой синхронизирующей ПСП, а каждый сегмент другой – циклически сдвинутой информационной ПСП, причем циклические сдвиги синхронизирующей ПСП фиксированы, а циклические сдвиги информационной ПСП определяются  символами передаваемой информации, двоичные символы составных последовательностей заменяют целыми противоположными числами и поэлементно объединяют, формируя последовательность комплексных чисел, действительная часть которых является элементом одной преобразованной составной последовательности, а мнимая часть – элементом другой, последовательность комплексных чисел поэлементно умножают на последовательность 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 её 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 длиной  элементов, сфазированные между собой, синхронизирующую и информационную.
2. Формируют две составные последовательности, состоящие из  сегментов длительностью  элементов. Каждый сегмент одной из них является циклически сдвинутой синхронизирующей ПСП, причем величина сдвига для каждого сегмента фиксирована. Каждый сегмент второй последовательности является циклически сдвинутой информационной ПСП, причем величина сдвига для каждого сегмента определяется одним из  передаваемых символов информации.
3. Двоичные символы составных последовательностей заменяют целыми противоположными числами (в общем случае они различны для одной и другой составных последовательностей, что позволяет изменять мощность синхронизирующего сигнала).
4. Формируют последовательность комплексных чисел, действительная часть которых является элементом одной преобразованной составной последовательности, а мнимая – элементом другой.
5. Последовательность комплексных чисел поэлементно умножают на последовательность действительных положительных чисел для выравнивания формы спектра выходного сигнала.
6. Полученную последовательность дополняют в начале и конце нулевыми элементами до получения общего количества элементов, равного целой степени числа два.
7. Осуществляют её 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 которых 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 синхронизирующей ПСП, циклически сдвинутой на  элементов, обозначим как .
Элементы информационной ПСП, циклически сдвинутой на  элементов, обозначим как
Элементы составных последовательностей обозначим как
и ,
причем  а
После преобразования символов элементы последовательностей принимают вид
, где  и  – целые числа.
Последовательность комплексных чисел имеет вид
Следующая операция, поэлементное умножение на последовательность действительных чисел , преобразует последовательность к виду
После дополнения этой последовательности в начале и конце нулевыми элементами формируется последовательность
при ,
при    и  .
Общее количество элементов  равно
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  – длительность передачи  информационных символов,
Последовательность выбирают так, чтобы , то есть
После умножения выходных сигналов ФНЧ на радиочастотные сигналы, частота которых равна  а начальная фаза одного из них равна  и сложения полученных произведений получен сигнал
S
Как видно, сформированный сигнал состоит из двух сигналов. Один из них, синхронизирующий, имеет вид
Второй сигнал – информационный, имеет вид
Эти два сигнала обладают следующими свойствами.
1. На интервале времени  сигналы ортогональны.
Доказательство.
2. Энергия синхронизирующего сигнала на интервале  равна
Доказательство.
3.  Энергия информационного сигнала на интервале  равна
Доказательство аналогично предыдущему.
4. Полная энергия сигнала на интервале   равна
Доказательство следует из свойства ортогональности двух сигналов.
5. Информационный сигнал можно представить в виде суммы сигналов, каждый из которых передает свой информационный символ, а именно
где
Нетрудно показать, что эти сигналы на интервале времени  ортогональны, а их энергия  Кроме того, если рассмотреть ансамбль сигналов для конкретного , то сигналы, соответствующие различным циклическим сдвигам  информационной ПСП (различным передаваемым символам информации), на интервале времени  квазиортогональны. Действительно, их взаимная корреляция определяется как
где  – автокорреляционная функция информационной ПСП. Учитывая, что  при  получим  , а это означает, что сигналы  квазиортогональны.
Если передаваемые символы информации независимы, то их прием также независим. Прием -го символа информации осуществляется путем вычисления взаимной корреляции принимаемого сигнала с синхронизированными копиями сигналов  для всех возможных значений циклических сдвигов  и определения сдвига , соответствующего максимальному значению взаимной корреляции.
По величине циклического сдвига определяют значение передаваемого - го информационного символа.
Возможен также некогерентный прием информации (при неизвестной фазе ). В этом случае вычисляют значения взаимной корреляции принимаемого сигнала с сигналами   и    и складывают их квадраты. Величина  определяется по максимальному значению полученных сумм.
6. Ширина спектра сигналов
База сигналов
Спектральная плотность мощности информационного сигнала в полосе рабочих частот
а спектральная плотность мощности синхронизирующего сигнала
где  – дельта-функция Дирака.
7. Уровень внеполосного излучения определяется информационным сигналом. Отношение спектральной плотности мощности информационного сигнала к его спектральной плотности мощности в полосе рабочих частот при отстройке от крайних рабочих частот на величину  составляет
Отсюда следует, что, например, при базе сигнала  и отстройке частоты на 10% полосы  спектральная плотность мощности падает на 30 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.
8. 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.
9. Сравним скорости передачи информации в заявляемом способе и способе-прототипе. Для корректного сравнения будем считать, что база сигналов и полоса рабочих частот одинаковы. В способе-прототипе  ширина полосы рабочих частот , измеренная по первым нулям спектра сигнала, равна удвоенной тактовой частоте ПСП, а база сигнала  равна длине ПСМ
Время передачи одного информационного символа , а количество передаваемых бит информации равно , поэтому скорость передачи информации
В заявляемом способе время передачи  информационных символов равно , а количество передаваемых бит информации равно . Учитывая, что база сигнала   скорость передачи информации
Например, при
.
10. Существующие методы РТР, применимые к фазоманипулированным ШПС, для заявляемых сигналов непригодны. Более того, для них не существуют понятия 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 с высокой помехозащищенностью решать перечисленные выше задачи.
Для того чтобы оценить возможности заявляемого синхронизирующего сигнала, рассмотрим его автокорреляционную функцию (АКФ)
Как видно, огибающая АКФ имеет ярко выраженный пик шириной  уровень которого на 13 дБ превышает уровень соседних пиков, что позволяет обнаруживать сигнал с высокой помехозащищенностью, а также определять его 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 – постоянное запоминающее устройство кодов начальной установки генератора синхронизирующей ПСП (КНУ);
5 – счетчик по модулю М (счетчик);
6, 7 – преобразователи кода;
8 – постоянное запоминающее устройство коэффициентов коррекции спектра (ПЗУ);
9, 10 – умножители;
11, 12 – коммутаторы;
13 – блок обратного дискретного преобразования Фурье (блок ОДПФ);
14 – счетчик-распределитель;
15, 16 – цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП);
17 – синтезатор частот;
18, 19 – фильтры нижних частот (ФНЧ);
20 – фазовращатель;
21, 22 – перемножители;
23 – 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. Его входами начальной установки являются входы параллельной записи регистра. Тактовый вход является тактовым входом регистра, а вход разрешения начальной установки – входом выбора режима параллельной записи регистра. Синтезатор частот 17 вырабатывает гармонический сигнал частоты  и тактовые импульсы частоты , которые поступают на тактовые входы ЦАП 15, 16, генераторов ПСП 2, 3, ПЗУ 8, счетчика 5, счетчика-распределителя 14 и блока ОДПФ 13. Счетчик-распределитель 14 осуществляет счет импульсов, следующих с частотой , по модулю  и вырабатывает импульсы синхронизации в момент своего последнего состояния , которые поступают на блок ОДПФ 13. Кроме того, он вырабатывает импульсы управления коммутаторами 11, 12 длительностью от -го состояния счетчика до -го состояния, поступающие на входы  управления  коммутаторов 11, 12  и входы разрешения работы ПЗУ 8, счетчика 5 и КНУ 4. Пока эти импульсы отсутствуют,  ПЗУ 8, КНУ 4 и счетчик 5 находятся в исходном состоянии. Выходной сигнал счетчика 5, поступает на входы разрешения начальной установки генераторов ПСП 2, 3, вход управления последовательно-параллельного преобразователя 1 и тактовый вход КНУ 4. В исходном (нулевом) состоянии счетчика 5 этот сигнал разрешает параллельную запись информации в регистры генераторов ПСП 2, 3 импульсами частоты  поступающими на тактовые входы генераторов. При этом в регистр генератора информационной ПСП 2 записывается двоичный код передаваемого символа информации, а в регистр генератора синхронизирующей ПСП 3 записывается двоичный код с выходов КНУ 4.
После появления импульса управления коммутаторами 11, 12 счетчик 5 начинает счет импульсов, следующих с частотой , по модулю числа . По окончании первого импульса он меняет уровень сигнала на выходе, по окончании  -го импульса возвращает его в первоначальное состояние.
После изменения уровня выходного сигнала счетчика 5 регистры генераторов ПСП 2, 3 переходят в режим сдвига информации, и генераторы ПСП 2, 3 начинают формировать ПСП с частотой . После возвращения уровня выходного сигнала счетчика 5 в исходное состояние регистры генераторов ПСП 2, 3 переходят в режим параллельной записи, КНУ 4 формирует новый код начальной установки генератора синхронизирующей ПСП 3, а последовательно-параллельный преобразователь 1 выдает на выходы двоичный код второго передаваемого символа информации. По приходу очередного импульса частоты  этот код записывается в регистр генератора информационной ПСП 2, а в регистр генератора синхронизирующей ПСП 3 записывается новый код начальной установки с выходов КНУ 4. Начиная со следующего импульса частоты , процесс формирования ПСП возобновляется. Синхронизирующая ПСП поступает в преобразователь кода 7, где преобразуется в последовательность чисел  и минус . Информационная ПСП в  преобразователе кода 6 преобразуется в последовательность чисел   и  минус Выходные сигналы преобразователей кода 6 и 7 поступают на умножители 9 и 10, где умножаются на формируемую ПЗУ 8 последовательность коэффициентов коррекции спектра. Выходные сигналы умножителей 9 и 10 подаются на входы коммутаторов 11 и 12. При отсутствии импульса управления коммутаторами 11, 12 на их выходах устанавливаются коды, соответствующие нулевым числам, поэтому в это время в блок ОДПФ 13 записываются нулевые данные с частотой . После прихода импульса управления коммутаторами 11, 12 в блок ОДПФ 13 начинают записываться данные с выходов умножителей 9 и 10, объединяемые в комплексные числа. После пропадания импульса управления коммутаторами 11, 12 в блок ОДПФ 13 продолжают записываться нулевые данные до появления импульса синхронизации с выхода счетчика-распределителя 14. По приходу этого импульса записывается последнее нулевое данное, и блок ОДПФ 13 переключается на запись нового массива данных и обработку записанного массива. Преобразованные данные выдаются на выход блока ОДПФ 13 с той же частотой , что и записываются, но с некоторой задержкой. Последовательность действительных частей выходных данных блока ОДПФ 13 поступает на ЦАП 15, а мнимых частей – на ЦАП 16. Выходные сигналы ЦАП 15 и ЦАП 16 фильтруются в ФНЧ 18 и ФНЧ 19 соответственно. Фильтры нижних частот 18 и 19 имеют полосу пропускания не менее, чем , и частоту задерживания не более . Выходные сигналы фильтров поступают на перемножители 21 и 22, где умножаются на гармонические сигналы частоты , разность фаз которых составляет 90 градусов. На перемножитель 22 гармонический сигнал поступает непосредственно с выхода синтезатора частот 17, а на перемножитель 21  –  с выхода фазовращателя 20, в котором выходной сигнал синтезатора частот 17 сдвигается по фазе на 90 градусов. Выходные сигналы перемножителей 21, 22 складываются в сумматоре 23, выход которого является выходом формирователя.
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.
Патент RU 2265962 С1. Устройство для формирования сложного фазоманипулированного сигнала. Опубликован 10.12.2005.
3. Смирнов Ю.А. Радиотехническая разведка. – М: Воениздат, 2001. – 452с.
4. Патент RU 2279183 С2. Способ передачи информации в системе связи с широкополосными сигналами. Опубликован 27.06.2006. Бюл. №18.