Способ расширения спектра сигналов
METHOD FOR SPREADING SIGNALS 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. С другой стороны, так же хорошо исследованы методы их радиотехнической разведки (РТР). Разработаны методики определения несущей частоты сигналов, тактовой частоты и структуры модулирующих последовательностей [3]. Это снижает разведзащищенность радиосистем, использующих DS-сигналы, и связи с этим значительно усложняет организационно-технические мероприятия при проведении испытаний таких радиосистем.
Задачей изобретения является создание такого способа расширения спектра, для которого 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 расширения спектра, описанный в [4].
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 расширения спектра сигналов, 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, в начале и конце дополняют последовательность 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 фильтруют в корректирующих фильтрах, преобразуют в аналоговые сигналы в цифро-аналоговых преобразователях (ЦАП), фильтруют в фильтрах нижних частот (ФНЧ), умножают на радиочастотные сигналы и складывают.
Способ расширения спектра сигналов 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. В начале и конце дополняют последовательность нулевыми элементами до получения общего количества элементов, равного целой степени числа два.
6. Осуществляют обратное дискретное преобразование Фурье полученной последовательности.
7. Последовательности действительных и мнимых частей полученных отсчетов фильтруют в корректирующих фильтрах (для выравнивания спектра сигналов после цифро-аналогово преобразования).
8. Отфильтрованные последовательности 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 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   ,   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 одного информационного символа.
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
Как видно, сформированный сигнал состоит из двух сигналов. Один из них, назовем его синхронизирующим, образован синхронизирующей ПСП и имеет вид.
Второй сигнал, будем называть его информационным, образован циклически сдвинутой информационной ПСП и дополнительным битом информации. Он 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. Информационные сигналы, соответствующие различным циклическим сдвигам информационной ПСП на интервале времени  квазиортогональны.
Доказательство.
Поскольку дополнительный бит информации изменяет только знак сигналов, будем считать его одинаковым для всех сигналов. Взаимная корреляция двух информационных сигналов, соответствующих циклическим сдвигам  информационной ПСП на интервале времени , определяется как
где  – автокорреляционная функция информационной ПСП.
Используемые в системах связи ПСП обладают хорошими автокорреляционными свойствами, то есть  при  поэтому
при  .
Это соотношение является определяющим для условия 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. Спектральная плотность мощности информационного сигнала в полосе рабочих частот
а спектральная плотность мощности синхронизирующего сигнала
где  – дельта функция Дирака.
8. 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.
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 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 – сумматор по модулю два;
5, 6 –преобразователи кода;
7, 8 – умножители;
9 – счетчик-распределитель;
10 – блок обратного дискретного преобразования Фурье (ОДПФ);
11, 12 – фильтры-корректоры;
13, 14 – цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП);
15 – синтезатор частот;
16, 17 – фильтры нижних частот (ФНЧ);
18 – фазовращатель;
19, 20 – перемножители;
21 – сумматор.
Устройство работает следующим образом. Передаваемая двоичная информация поступает на последовательно-параллельный преобразователь 1, в котором разбивается на блоки, один бит из блока поступает на сумматор по модулю два 4, остальные на входы начальной установки генератора информационной ПСП 2. В качестве информационной ПСП используется М-последовательность, а ее генератор выполнен по схеме с вынесенными сумматорами. Синтезатор частот 15 вырабатывает гармонический сигнал частоты  и тактовые импульсы частоты , которые поступают на тактовые входы генераторов ПСП 2, 3, фильтров-корректоров 11, 12, блока ОДПФ 10 и счетчика-распределителя 9. Счетчик-распределитель 9 осуществляет счет импульсов, следующих с частотой , по модулю  и вырабатывает импульсы синхронизации в момент своего последнего состояния , которые поступают на блок ОДПФ 10. Кроме того, он вырабатывает импульсы разрешения работы генераторов длительностью от -го состояния счетчика до -го состояния, поступающие на входы  разрешения записи начального состояния генераторов ПСП 2, 3, входы умножителей 7, 8 и вход последовательно-параллельного преобразователя 1. Пока эти импульсы отсутствуют, генераторы ПСП находятся в начальном состоянии, причем генератор синхронизирующей ПСП 3 – в фиксированном состоянии, а генератор информационной ПСП 2 – в состоянии, определяемом двоичным кодом на выходах последовательно-параллельного преобразователя 1. Выходы умножителей 7, 8 в это время находятся в состоянии, соответствующем нулевым числам, поэтому в блок ОДПФ 10 записываются нулевые комплексные числа с частотой .
После появления импульсов разрешения работы генераторов генераторы ПСП 2, 3 начинают формировать последовательности с частотой . Синхронизирующая ПСП поступает в блок преобразования кода 6, где преобразуется в последовательность чисел  и минус , умножается на единицу в умножителе 8 и поступает на входы действительной части данных блока ОДПФ 10. Информационная ПСП складывается по модулю два с дополнительным битом информации в сумматоре по модулю два 4, преобразуется в последовательность чисел  и минус в преобразователе кода 5, умножается на единицу в умножителе 7 и поступает на входы мнимой части данных блока ОДПФ 10. Входные данные записываются в блок ОДПФ 10 с частотой .
После окончания импульса разрешения работы генераторов на выходах последовательно-параллельного преобразователя 1 устанавливается новый блок информации, а блок ОДПФ 10 продолжает записывать уже нулевые данные до появления импульса синхронизации с выхода счетчика-распределителя 9. После прихода этого импульса начинается процесс записи следующей комплексной последовательности данных, а записанная последовательность подвергается преобразованию. Преобразованные данные выдаются на выход блока ОДПФ 10 с той же частотой , что и записываются, но с некоторой задержкой. Последовательность действительных частей выходных данных блока ОДПФ 10 поступает на фильтр-корректор 12, а мнимых частей – на фильтр-корректор 11. Функцией этих фильтров является коррекция искажения спектра сигналов после преобразования в ЦАП. Точнее, их частотная характеристика должна быть близка к функции вида
в диапазоне частот от   до  .
Выходные сигналы фильтров-корректоров 11, 12 преобразуются в аналоговую форму в ЦАП 13, 14, после чего фильтруются в ФНЧ 16, 17. Фильтры нижних частот 16, 17 имеют полосу пропускания не менее, чем , и частоту задерживания не более . Выходные сигналы фильтров поступают на перемножители 19, 20, где умножаются на гармонические сигналы частоты , разность фаз которых составляет 90 градусов. На перемножитель 20 гармонический сигнал поступает непосредственно с выхода синтезатора частот 15, а на перемножитель 19  –  с выхода фазовращателя 18, в котором выходной сигнал синтезатора частот 15 сдвигается по фазе на 90 градусов. Выходные сигналы перемножителей 19, 20 складываются в сумматоре 21, 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.
3. Смирнов Ю. А. Радиотехническая разведка. – М: Воениздат, 2001. – 452с.
4. Патент RU 2279 183 С2. Способ передачи информации в системе связи с широкополосными сигналами. Опубликован 27.06.2006 Бюл. №18.