СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ СИГНАЛАМИ С МИНИМАЛЬНОЙ ЧАСТОТНОЙ МАНИПУЛЯЦИЕЙ
METHOD TO TRANSFER DIGITAL INFORMATION BY SIGNALS WITH MINIMUM FREQUENCY MANIPULATION

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в системах передачи информации.
Заявляемое изобретение относится к приоритетному направлению развития науки и технологий «Технологии обработки, хранения, передачи и защиты информации» [Алфавитно-предметный указатель к Международной патентной классификации по приоритетным направлениям развития науки и технологий / Ю.Г.Смирнов, Е.В.Скиданова, С.А.Краснов. - М.: ПАТЕНТ, 2008. - c.49].
Известен способ передачи двоичной информации путем минимальной частотной манипуляции [Волков Л.Н., Немировский М.С., Шинаков Ю.С. Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики: Учебное пособие. - М.: Эко-Тренд, 2005. - 392 с.], заключающийся в том, что последовательность бит, подлежащих передаче, разделяют на два потока, в первый из которых попадают биты, поступающие на нечетных тактовых интервалах, а во второй - на четных. Длительность единичных бит каждого из потоков удваивается. Биты первой последовательности манипулируют по фазе квадратурную составляющую поднесущей частоты, период которой равен учетверенной длительности передаваемого бита, а второй - синфазную составляющую этого колебания. Манипулированные по фазе колебания, в каждом из каналов, используются для модуляции квадратурных компонент несущей частоты и результаты, полученные в обоих каналах, суммируются.
Признаком, совпадающим с существенными признаками заявляемого способа, является формирование сигнала по двум квадратурным каналам.
Этот способ получения сигналов с минимальной манипуляцией обладает существенным недостатком, в нем отсутствует взаимно-однозначная связь между значениями бит передаваемой информации и номиналами частот, предназначенных для передачи информации.
Известен способ передачи двоичной информации сложными сигналами с внутриимпульсной минимальной частотной манипуляцией [Патент РФ №2358404], близкий по технической сущности и достигаемому результату и принятый за прототип. В этом способе осуществляют минимальную кодочастотную манипуляцию несущей частоты путем суммирования модулированных по амплитуде и фазе колебаний квадратурных каналов, манипуляционные кодовые последовательности которых получают путем кодирования импульсов информационной последовательности кодами Баркера с последующей перекодировкой полученного сигнала.
Признаком, совпадающим с существенными признаками заявляемого способа, является перекодировка информационной последовательности с целью получения манипуляционного кода квадратурных составляющих сигнала.
Способ по прототипу, предназначенный для передачи двоичной информации сложными сигналами, оказывается малопригодным для передачи двоичных последовательностей простых импульсных сигналов с помощью минимальной частотной манипуляции.
Изобретение направлено на создание метода перекодировки, двоичной последовательности импульсов, подлежащей передаче с минимальной частотной манипуляцией, с целью получения манипуляционных последовательностей, определяющих взаимно-однозначное соответствие значений бит информационного сообщения и номиналов частот, предназначенных для передачи информации.
Технический результат изобретения заключается в получении манипуляционных последовательностей, определяющих взаимно-однозначное соответствие значений бит информационного сообщения и номиналов частот, предназначенных для передачи информации.
1. Технический результат изобретения достигается тем, что в способе передачи цифровой информации сигналами с минимальной частотной модуляцией, включающем минимальную частотную модуляцию несущей частоты, получаемую путем суммирования модулированных по амплитуде и фазе колебаний квадратурных составляющих несущей частоты, согласно изобретению, перед осуществлением минимальной частотной модуляции несущей частоты формируют коды модуляционных последовательностей синфазного и квадратурного каналов, для чего предназначенную для передачи информационную последовательность анализируют с целью определения порядка следования четных и нечетных единичных бит информации, порядка распределения нулевых бит информации, следующих за нечетными битами единиц, определяют четные и нечетные тактовые интервалы информационной последовательности, затем сформированные коды модуляционных последовательностей преобразуют в биполярный код, а минимальную частотную модуляцию осуществляют в два этапа, при этом на первом этапе модуляции манипулируют по фазе синусное и косинусное гармонические колебания поднесущей частоты, период которой равен четырехкратной длительности элементарной посылки передаваемой информационной последовательности, а на втором этапе модуляции манипулированные по фазе колебания подают на квадратурный модулятор несущей частоты.
Отличительным признаком предлагаемого способа является алгоритм формирования манипуляционных последовательностей квадратурных каналов модулятора, создающий условия для взаимно-однозначного соответствия между значениями бит передаваемой последовательности и номиналами частот для их передачи. В состав манипуляционной последовательности квадратурного канала включаются импульсы, получаемые в результате совпадения нечетных единиц или нулей, следующих после нечетных единиц и нечетного тактового интервала, или совпадения четных единиц или нулей, следующих после нечетных единиц и четного тактового интервала. В состав манипуляционной последовательности синфазного канала включаются импульсы, получаемые в результате совпадения нечетных единиц или нулей, следующих после нечетных единиц и четных тактовых интервалов, или четных единиц или нулей, следующих после нечетных единиц и нечетных тактовых интервалов.
Предлагаемый способ передачи цифровой информации сигналами с минимальной частотной манипуляцией приводит к взаимно-однозначному соответствию значений подлежащих передаче информационных бит и номиналов частот, предназначенных для их передачи, что упрощает обработку сигнала на приемной стороне.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «новизна».
Анализ патентной и научно-технической информации с целью установления уровня техники позволил выявить источник, содержащий сведения об известности некоторых отличительных признаков формулы (Волков Л.Н., Немировский М.С., Шинаков Ю.С. Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики: Учебное пособие. - М.: Эко-Тренд, 2005, с.179-185). В частности, известно преобразование полученных информационных последовательностей в двухполярный код и манипуляция по фазе синусных и косинусных гармонических колебаний поднесущей частоты, период которой равен четырехкратной длительности элементарной посылки применяемого кода, подача модулированных по фазе колебаний на квадратурный модулятор несущей частоты. Однако известные признаки, выполняя известные функции, позволяют заявляемой новой совокупности отличительных признаков получить новый технический результат, заключающийся в установлении взаимно-однозначного соответствия между передаваемыми битами информации и номиналами частот, предназначенных для их передачи, что упрощает обработку сигнала на приемной стороне, при этом появляется возможность получения непрерывности фазы, что способствует повышению помехоустойчивости передачи двоичной информации.
Получение нового технического результата при использовании новой совокупности отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого изобретения критерию «изобретательский уровень».
Изобретение иллюстрируется графическими материалами, представленными на фиг.1, 2, 3.
На фиг.1 показаны временные диаграммы информационной последовательности (1), подлежащей передаче, результатов ее анализа по предлагаемому способу (2-6) и манипуляционных последовательностей квадратурного Q и синфазного I каналов (7 и 8), сформированных по заявляемому алгоритму.
1. Информационная последовательность.
2. Последовательность импульсов, отображающих биты нечетных единиц информации.
3. Последовательность импульсов, отображающих биты четных единиц информации.
4. Последовательность импульсов, отображающих нулевые биты информации, следующие после нечетных единичных бит.
5. Последовательность импульсов, отображающих нечетные тактовые интервалы информационной последовательности.
6. Последовательность импульсов, отображающих четные тактовые интервалы информационной последовательности.
7. Манипуляционная последовательность квадратурного канала - Q.
8. Манипуляционная последовательность синфазного канала - I.
Временные диаграммы, показанные на фиг.1, иллюстрируют процесс получения манипуляционных последовательностей синфазного - I и квадратурного - Q каналов. Для наглядности, единичные импульсы информации и импульсы тактовой последовательности пронумерованы в соответствии с порядком их поступления.
Действительно, единица в составе модуляционной последовательности квадратурного канала (строка 7) появляется тогда, когда происходит совпадение нечетных единиц передаваемой последовательности или нулей, следующих после нечетных единиц и импульсов нечетных тактовых интервалов (строки: 2 и 5 или 4 и 5), или четных единиц последовательности, или нулей, следующих после нечетных единиц и импульсов четных тактовых интервалов (строки: 3, 6 или 4, 6).
Подобным образом формируется модуляционная последовательность синфазного канала (строка 8): единица в состав модуляционной последовательности включается при совпадении нечетных единиц или нулей, следующих после нечетных единиц и четных тактовых интервалов (строки: 2, 6 или 4, 6), или четных единиц, или нулей, следующих после нечетных единиц и нечетных тактовых интервалов (строки: 2 и 5 или 4 и 5).
Сформированные, описанным выше способом, манипуляционные последовательности преобразуют в последовательности, состоящие из символов «1» и «-1» (биполярный код) и используют для фазовой манипуляции синусной и косинусной составляющих поднесущей частоты Ω, определяемой выражением:
где Ω - циклическая поднесущая частота, радиан/с; π=3,14;
τ - длительность единичного импульса информационной последовательности, с.
Результат работы первого этапа процесса манипуляции показан на фиг.2, где приведены временные диаграммы:
a) манипуляционная последовательность квадратурного канала, Q,
b) синусная составляющая поднесущей частоты, sinΩt;
c) манипулированная по фазе синусная составляющая поднесущей частоты, Q·sinΩt.
Аналогичным образом, в параллельном канале, получают манипулированную по фазе косинусную составляющую поднесущей частоты, I·cosΩt.
На втором этапе процесса модуляции манипулированные по фазе колебания составляющих поднесущей частоты подаются на квадратурный модулятор несущей частоты, определяемой выражением:
0
где ω - циклическая несущая частота, радиан/с; π=3,14;
0
t - период несущей частоты, с;
0
0
и получают произведения I·cosΩt·sinωt и Q·sinΩt·cosωt.
После чего модулированные по амплитуде и фазе квадратурные составляющие несущей частоты суммируются. Этот процесс иллюстрируется осциллограммами, приведенными на фиг.3, где показано:
a) Манипулированная синусная составляющая поднесущей частоты Q·sinΩt;
b) Модулированная по амплитуде и фазе квадратурная составляющая несущей частоты Q·sinΩt·cosωt;
c) Выходной сигнал квадратурного модулятора:
полученный в результате суммирования сигналов синфазной и квадратурной ветвей модулятора.
Анализируя (3), можно отметить постоянную амплитуду и зависящую от времени переменную часть фазы выходного сигнала. Полная фаза выходного сигнала, имеющая вид
зависит от знака произведения (I×Q), который определяется знаками последовательностей I и Q в текущий момент времени. Произведение будет иметь знак плюс, если I и Q имеют одинаковые знаки, неважно какие, положительные или отрицательные, и знак минус, в случае, если знаки I и Q различны.
Изменение знака произведения происходит скачком, но без разрыва фазы, при этом мгновенная частота, определяемая как скорость изменения фазы во времени, при передаче единичного бита информационной последовательности, выразится зависимостью
ед
где ω - частота заполнения единичного бита информации [произведение (I×Q) имеет отрицательный знак].
Частота заполнения нулевого бита информации будет равна
нул
где ω - частота заполнения нулевого бита информации [произведение (I×Q) имеет положительный знак],
нул
ед
Получаемый сдвиг частоты (ω-ω)=π/τ является минимальным для обеспечения ортогональности колебаний, переносящих единичные и нулевые биты информации, на временном интервале длительностью τ. Предлагаемый алгоритм формирования модуляционных последовательностей I и Q обеспечивает взаимно-однозначное соответствие между значениями передаваемых бит информации и номиналами частот, предназначенных для их передачи. Работоспособность заявляемого способа передачи цифровой информации сигналами с минимальной частотной манипуляцией проверена путем моделирования с помощью электронной моделирующей программы Electronics Workbench. Моделирование подтвердило правильность выбранного алгоритма построения манипулирующих последовательностей и работоспособность заявляемого способа.