СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ С ПОМОЩЬЮ ШУМОПОДОБНЫХ СИГНАЛОВ
METHOD TO TRANSFER INFORMATION BY MEANS OF NOISE-LIKE SIGNALS

Изобретение относится к технике связи и передачи данных и может использоваться для передачи дискретной информации широкополосным шумоподобным сигналом при низком отношении сигнал/шум в канале передачи, в том числе меньшем единицы.
on
Известны преимущества широкополосных шумоподобных сигналов (ШПС) [Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2-е издание.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом "Вильяме", 2003. - 1104 с.: ил.]. В распространенных системах связи с ШПС широко используют фазовую модуляцию (ФМ) или фазоразностную модуляцию (ФРМ), как наиболее эффективную с точки зрения помехозащищенности [Окунев Ю.Б. Цифровая передача информации фазоманипулированными сигналами. - М.: Радио и связь, 1991. - 196 с.]. Приемная часть таких систем работает по принципу коррелятора, в котором вычисляется скалярное произведение принятого сигнала x(t) и некоторого опорного сигнала x{t):
где T - длительность передаваемого символа.
on
on
Различные методы приема и обработки сигналов в корреляционном приемнике, по существу, отличаются способом формирования опорного сигнала x(t). В принципе, наилучшей чувствительностью обладают схемы когерентного приема, когда x(t) генерируется в приемнике с помощью специального генератора, однако такой метод требует совершенной синхронизации, которая достигается либо за счет повышения мощности передачи, т.е. по сути, за счет ухудшения той же чувствительности либо за счет существенного усложнения схемы. Кроме того, система оказывается весьма чувствительной к искажениям формы сигнала в линии связи.
on
Задача приема и обработки ШПС во многом упрощается в автокорреляционном приемнике, в котором x(t) формируют из принятого сигнала x(t) путем его задержки на определенный интервал τ.
Известен способ передачи информации с использованием фазоразностной модуляции на передающей стороне и автокорреляционного приема на приемной стороне [авт.св. №177471, Рахнович Л.М. Способ детектирования фазоманипулированных сигналов, переданных методом двукратной относительной фазовой манипуляции. - М.: ЦНИИПИ, 1966]. Недостатком этого способа является присутствие помех в результатах перемножений, предшествующих интегрированию со сбросом.
Известен способ [патент №2168869, Скрипкин А.А., Щербачев В.А. Способ демодуляции сигналов с относительной фазовой манипуляцией и устройство для его реализации, 2001], в котором устранены дополнительные помехи, возникающие в результатах перемножений, предшествующих интегрированию со сбросом. К недостаткам обоих способов следует отнести невозможность работы c m-мерным алфавитом, а также то, что ошибка в одном принятом символе распространяется на два соседних символа.
i
i
i
j
Известен способ передачи дискретной информации с помощью шумоподобных сигналов, включающий модуляцию несущего колебания шумоподобным сигналом на передающей стороне, передачу модулированного сигнала через линию связи, нахождение автокорреляционной функции (АКФ) Y(τ) сигнала на приемной стороне и принятие решения о значении передаваемого символа путем сравнительного анализа значений Y(τ), вычисленных для различных τ, причем каждый символ α алфавита кодируют периодическим ШПС со своим, отличным от других, периодом повторения T, а на приемной стороне вычисляют значения АКФ Y(τ) в точке τ=T и присваивают принятому символу то значение α, для которого Y(t=T) оказалось максимальным [патент №2362273, Григорьев А.С., Дахнович А.А. Способ передачи информации с помощью шумоподобных сигналов и устройство для его реализации, 2007]. Этот способ выбран в качестве прототипа.
Однако данный способ-прототип имеет сравнительно низкую помехоустойчивость, свойственную всем известным способам автокорреляционного приема сигналов.
Техническим результатом предложенного изобретения является повышение помехоустойчивости за счет более полного использования информации, заключенной в АКФ периодических ШПС.
i
Технический результат достигается тем, что на приемной стороне, кроме вычисления совокупности значений автокорреляции Y(τ) в точках τ=T i=1,2,…m, где m - размерность алфавита, вычисляют также значения автокорреляции в точках
i
i
τ=2T,…,τ=(n-1)T, i=1,2,…m,
затем находят суммы
i
i
max
j
j
j
после чего сравнивают значения полученных сумм S(T) на предмет нахождения максимального значения S(T)=S(T) и принимают решение о том, что был передан символ α, соответствующий найденному T.
При таком способе вероятность правильной идентификации принятого символа существенно повышается. Это объясняется тем, что решение о значении принятого символа принимается по совокупности пиковых значений автокорреляционной функции γ(τ), которая для периодического ШПС имеет многолепестковую структуру (см. фиг.1).
Для пояснения технического эффекта, достигаемого предложенным изобретением, рассмотрим случай передачи двоичных символов (m=2) и проведем сравнительный анализ предложенного способа со способом-прототипом, а также с другими известными автокорреляционными способами передачи, из которых наиболее эффективным считается автокорреляционный способ передачи двоичных символов с фазоразностной манипуляцией (ФРМ).
s
Сравнение проведем с точки зрения общепринятого критерия вероятности символьной ошибки P.
В таблице 1 приведены выражения для вероятности ошибочного приема двоичного символа при наличии аддитивной помехи типа "белого" шума, полученные в результате анализа различных автокорреляционных способов передачи двоичной информации [Окунев Ю.Б. Цифровая передача информации фазоманипулируемыми сигналами. - М.: Радио и связь, 1991; Григорьев А.С., Дахнович А.А. Помехоустойчивость алгоритма беспроводной передачи данных на основе модуляции периода следования шумоподобного сигнала./ - Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2007. - т.13, №4].
Таблица 1
Автокорреляционный способ передачи
Вероятность ошибочного приема двоичного символа
1
По методу фазоразностной манипуляции (ФРМ) 1-го порядка
<img file="00000003.tif" he="24" wi="38" img-content="undefined" img-format="tif" />
2
По методу Ланге-Мюллера
<img file="00000004.tif" he="26" wi="51" img-content="undefined" img-format="tif" />
3
Способ-прототип
<img file="00000005.tif" he="26" wi="51" img-content="undefined" img-format="tif" />
4
Предложенный способ
<img file="00000006.tif" he="26" wi="53" img-content="undefined" img-format="tif" />
Здесь:
F - полоса частот, занимаемая сигналом;
T - длительность двоичного символа;
n - число побочных максимумов АКФ сигнала, использованных для идентификации символа;
Q(x) - гауссов интеграл ошибок, т.е.
2
s
0
h - отношение энергии принятого бита E к спектральной плотности мощности "белого" шума N.
Воспользовавшись известным соотношением
, где  - отношение сигнал/шум, можно преобразовать выражения таблицы 1, приведя их к виду, представленному в таблице 2.
s
На графиках Фиг.2 представлены кривые зависимости вероятности битовой ошибки P от отношения сигнал/шум , рассчитанные для случая FT=10000 и n=30.
Сравнение полученных кривых говорит о том, что при малом отношении сигнал/шум  предложенный способ передачи существенно превосходит все известные автокорреляционные способы.
Таблица 2
№
Автокорреляционный способ передачи
Вероятность ошибочного приема двоичного символа
1
По методу фазоразностной манипуляции (ФРМ) 1-го порядка
<img file="00000012.tif" he="31" wi="52" img-content="undefined" img-format="tif" />
2
По методу Ланге-Мюллера
<img file="00000013.tif" he="31" wi="63" img-content="undefined" img-format="tif" />
3
Способ-прототип
<img file="00000014.tif" he="31" wi="64" img-content="undefined" img-format="tif" />
4
Предложенный способ
<img file="00000015.tif" he="34" wi="67" img-content="undefined" img-format="tif" />
Согласно предлагаемому способу:
i
i
i
1) Передаваемый символ α m-мерного алфавита представляют периодической псевдошумовой последовательностью, полученной путем n-кратного повторения ШПС, причем период повторения T равен ,
где T - длительность передачи одного символа.
2) Сформированный таким образом символ передают по линии связи.
3) На приемной стороне сигнал усиливают и фильтруют в нужной полосе частот.
4) Для усиленного и отфильтрованного сигнала вычисляют совокупность значений автокорреляции
5) Вычисляют далее суммы
i
i
6) Полученные значения S(T) сравнивают и находят максимальное значение S(T)max.
j
i
7) Присваивают принятому символу значение α, для которого S(T) оказалось максимальным.
Источники информации
1. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2-е издание.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом "Вильяме", 2003. - 1104 с: ил.
2. Окунев Ю.Б. Цифровая передача информации фазоманипулированными сигналами. - М.: Радио и связь, 1991. - 196 с.
3. Авт.св. №177471, Рахнович Л.М. Способ детектирования фазоманипулированных сигналов, переданных методом двукратной относительной фазовой манипуляции. - М.: ЦНИИПИ, 1966.
4. Патент №2168869, Скрипкин А.А., Щербачев В.А. Способ демодуляции сигналов с относительной фазовой манипуляцией и устройство для его реализации, 2001.
5. Ланге Ф. Корреляционная электроника. Судпромгиз, 1963.
6. Патент №2362273, Григорьев А.С., Дахнович А.А. Способ передачи информации с помощью шумоподобных сигналов и устройство для его осуществления, 2007.