Способ передачи информации в системе связи с шумоподобными сигналами
METHOD OF TRANSMITTING INFORMATION IN A COMMUNICATION SYSTEM WITH NOISE-LIKE SIGNALS

Изобретение относится к области передачи цифровой информации и предназначено для применения в приемо-передающих устройствах систем связи.
В задачах дальней связи в ряде случаев предпочтительна передача цифровой информации с использованием шумоподобных сигналов (ШПС) (см. [1], с. 3); как правило, в качестве таких сигналов используются тональные сигналы, фазовая манипуляция которых осуществляется m-последовательностями (см. [1], раздел 3.3. с. 49). В общем случае в качестве последовательностей, по законам которых манипулируются фазы тональных сигналов, могут использоваться классические псевдослучайные последовательности (ПСП) широкого класса, поэтому далее вместо термина «m-последовательность» фигурирует термин «ПСП».
c
c
υ
c
Алфавит передаваемых сообщений, как правило, содержит N>>1 символов. При кодировании каждого передаваемого символа соответствующей ему ПСП модем системы связи содержит значительное количество (а именно N) корреляторов в каждом пространственном и доплеровском каналах приема. При этом реализация модема сравнительно сложна. В связи с этим в [2] предложен вариант способа кодирования, предусматривающего операции формирования единственной m-последовательности, преобразования передаваемого символа (например, С) в циклический временной сдвиг (ЦВС) на υ квантов, каждый из которых равен интервалу корреляции ПСП, и введение в эту ПСП указанного ЦВС. Устройство декодирования при таком способе кодирования, кроме [2], описано, например, в [3]. Достоинством такого способа кодирования является наличие всего одной ПСП, потенциально обеспечивающей возможность передачи каждого из всех N символов алфавита; при этом модем в каждом из каналов приема содержит всего один коррелятор; реализация такого декодера сравнительно проста.
c
m
c
с
c
m
m
2
c
c
m
c
2
c
c
-1
Недостаток указанного аналога состоит в следующем. Для того чтобы одна ПСП обеспечивала возможность передачи каждого из всех N символов алфавита, необходимо, чтобы ее период N (выраженный в единицах времени, равных интервалу корреляции ПСП) был равен (или превышал) N. Период всякой классической ПСП Т прямо пропорционален ее длительности, т.е. произведению T=N⋅τ, где N - составляющее ПСП количество импульсов (терминология по [1], раздел 3.3), τ - длительность каждого из этих импульсов, причем τ≥ΔF, где ΔF - ширина рабочей полосы частот системы связи. Однако скорость передачи данных обратно пропорциональна указанному произведению. Количество бит, приходящееся на один передаваемый символ, равно log N, а время передачи одного символа пропорционально величине N. В итоге с ростом параметра N-=N обеспечиваемая аналогом скорость передачи убывает как (log N)/N.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является «Способ передачи информации в системе связи с шумоподобными сигналами» по патенту РФ №2635552 [4] (прототип). Прототип включает следующие операции:
на передающей стороне:
- разделяют поток передаваемых данных на блоки, содержащие по  бит и по k дополнительных бит;
- формируют заранее заданную ПСП с ЦВС, определяемым комбинацией из  бит соответствующего передаваемого блока в соответствии с выбранным методом кодирования;
- реализуют кодовую модуляцию (КМ), определяемую комбинацией из k дополнительных бит соответствующего передаваемого блока в соответствии с выбранным методом кодирования;
- формируют последовательность ШПС путем фазовой манипуляции высокочастотного тонального сигнала;
- передают сформированную последовательность ШПС,
причем входными данными операции разделения потока подлежащих передаче данных являются входные последовательности этих данных, а операция формирования ПСП с ЦВС осуществляется над результатами выполнения операции разделения потока передаваемых данных,
на приемной стороне:
- преобразуют принимаемые сигналы в электрические;
k
k
k
- определяют максимум корреляции принятого сигнала с ШПС, сформированным путем фазовой модуляции по закону заранее заданной ПСП с нулевым ЦВС, при каждой q-й (при q=1…Q, причем Q=2) альтернативе КМ;
k
- определяют комбинацию k дополнительных бит принятого данного блока данных на основе результатов определения максимума корреляции принятого сигнала с ШПС при каждой q-й альтернативе КМ;
- определяют величину ЦВС применительно к той альтернативе КМ, которой соответствует указанная комбинация k дополнительных бит;
- определяют комбинацию  бит принятого блока на основании указанного результата определения ЦВС;
- формируют совокупность  бит принятого блока по указанным результатам определения его  бит и k дополнительных бит.
причем на передающей стороне:
- операцию КМ выполняют над результатами формирования ПСП с ЦВС;
- операцию фазовой манипуляции высокочастотного тонального сигнала выполняют над результатами выполнения операции КМ.
Прототип обеспечивает повышение скорости передачи за счет того, что в нем на интервале одной и той же длительности ПСП информационный ЦВС вводится в передаваемый сигнал (в ШПС) фактически дважды (второй раз в виде операции КМ). Недостатком прототипа является необходимость (вынужденность) выполнения двух операций введения ЦВС в обязательном порядке последовательно. Т.е. вначале формируется ПСП с ЦВС, а затем этот результат подвергается операции КМ. Это же относится и к совокупности ряда операций, выполняемых на приемной стороне (вначале определяются k дополнительных (так в терминологии описания прототипа) бит, а затем еще  бит).
Следует заметить, что очевидным развитием прототипа является многократное (более чем двукратное) введение ЦВС на интервале одной и той же длительности ПСП, чем обеспечивается повышение скорости передачи (вопрос ограничения количества ЦВС, вводимых на интервале одной и той же длительности ПСП, выходит за рамки настоящего описания). При этом последовательно (и итерационно) результат выполнения операции КМ в свою очередь дополнительно подвергается еще одной операции КМ и т.д. В таком случае количество информации, вводимой ШПС (и переносимой им) с ростом количества итераций КМ увеличивается. Далее в качестве прототипа рассматривается именно такой способ передачи, являющийся эквивалентом способу, изложенному в описании к патенту РФ №2635552, при этом считаем, что при каждой итерации КМ вводится информация объемом в  бит. При таком развитии прототипа необходимо все операции КМ выполнять последовательно, чем указанный выше недостаток прототипа (невозможности распараллеливания операций введения ЦВС в ПСП при передаче и операций определения  и k бит при приеме) дополнительно усугубляется.
Целью заявляемого способа является устранение указанного недостатка прототипа, а именно обеспечение возможности одновременной реализации всех фаз (этапов) введения ЦВС в ПСП (или фактически в передаваемый сигнал) при передаче и одновременного определения совокупности всех бит фрагмента сообщения при приеме, при этом обеспечивается распараллеливание значительных частей совокупностей операций кодирования и декодирования.
Цель достигается тем, что в способ передачи информации в системе связи с ШПС, заключающийся в том, что
на передающей стороне
- разделяют поток передаваемых данных на n≥2 блоков, содержащих по  бит каждый;
- формируют n заранее заданных ПСП, причем условно первую из этих ПСП формируют с ЦВС, определяемым комбинацией из  бит условно первого передаваемого блока в соответствии с выбранным методом кодирования;
- все сформированные ПСП перемножают;
- формируют последовательность ШПС путем фазовой манипуляции высокочастотного тонального сигнала результатами перемножения ПСП;
- передают сформированную последовательность ШПС,
причем входными данными операции разделения потока подлежащих передаче данных являются входные последовательности этих данных, а операция формирования ПСП с ЦВС осуществляется с учетом результатов выполнения операции разделения потока передаваемых данных,
на приемной стороне
- преобразуют принимаемые сигналы в электрические;
- вычисляют корреляции принятого сигнала с Q≥2 опорными функциями,
- определяют комбинацию бит принятого фрагмента сообщения, вводят следующие операции
при передаче
- формирование условно второй, третьей и всех последующих ПСП осуществляют с ЦВС, определяемыми комбинациями из  бит соответственно условно второго, третьего и всех последующих передаваемых блоков в соответствии с выбранным методом кодирования;
при приеме
- осуществляют определение номера той опорной функции, корреляция принятого сигнала с которой максимальна;
- комбинацию бит принятого фрагмента сообщения определяют по указанному номеру той опорной функции, с которой корреляция принятого сигнала максимальна.
Блок-схема, иллюстрирующая совокупность операций заявляемого способа, приведена на фиг. 1, глее обозначены:
- 1 - разделение потока данных на n≥2 блоков, содержащих по  бит каждый;
- 2 - формирование n ПСП с ЦВС;
- 3 - перемножение ПСП;
- 4 - фазовая манипуляция;
- 5 - передача ПШС;
- 6 - преобразование принимаемых сигналов в электрические;
- 7.1 … 7.Q - вычисление корреляций принятого сигнала с Q≥2 опорными функциями;
- 8 - определение номера той опорной функции, корреляция с которой принятого сигнала максимальна;
- 9 - определение комбинации бит принятого фрагмента сообщения.
Все операции заявляемого способа, фигурирующие также и прототипе (т.е. операции 4 - 6 и 9), могут быть реализованы полностью аналогично соответствующим операциям прототипа.
с
Операция 1 разделения потока подлежащих передаче данных на n≥2 блоков, содержащих по  бит каждый, реализуется, например, следующим образом. Осуществляется запоминание фрагмента потока, содержащего  бит подлежащей передаче информации. При указанном запоминании этот блок записывается в оперативную память емкостью  бит (здесь и далее упоминаются компоненты цифровых аппаратно-программных средств, реализующих заявляемый способ). Управление записью/чтением передаваемой информации осуществляется программными средствами. Далее запоминается следующий фрагмент из  бит подлежащей передаче информации и указанные функции операции 1 (а также и совокупность всех прочих операций способа) повторяются. Период однократной реализации совокупности указанных функций при выполнении операции 1 и всех прочих операций способа, т.е. период их повторения равен длительности интервала времени Т, в течение которого передается один  -битовый фрагмент данных. Последнее относится и ко всем прочим операциям заявляемого способа, которые реализуются последовательно во времени с пренебрежимо малыми задержками, обусловленными конечным быстродействием выполняющих их цифровых аппаратных средств (приведенное здесь утверждение о том, что операции способа реализуются последовательно во времени, в противоречие с поставленной целью не входит; эта цель выше сформулирована как обеспечение возможности одновременной реализации только всех фаз введения ЦВС в ПСП и определения всех бит фрагмента сообщения, но не всех операций способа).
Далее, если это не оговорено особо, приводится описание содержания операций 2…9 применительно к передаче и приему одного фрагмента потока. Над всеми фрагментами потока вся совокупность операций заявляемого способа выполняется, как было указано выше, последовательно во времени.
-1
-1
Операция 2 формирования n ПСП с ЦВС реализуется с учетом результатов выполнения операции 1 путем, например, чтения из памяти заранее записанных в нее n разных ПСП и введения в каждую из них ЦВС, величина которого соответствует комбинации из  бит передаваемого фрагмента сообщения (в условно первую, вторую, … n-ю ПСП вводятся ЦВС, соответствующие первому, второму, … n-му блоку передаваемой информации, содержащему по  бит; здесь нумерация блоков может соответствовать, например, из порядку следования в сообщении). Соответствие между вводимым ЦВС и указанной комбинацией из  бит может быть, например, следующим: выраженный в единицах, равных ΔF (где ΔF - ширина полосы частот ПСП), ЦВС есть двоичный код, представленный указанной комбинацией из  бит; так, в случае  бит при их комбинации, например, вида 001010 (что в десятичной системе соответствует цифре 10) в ПСП вводится ЦВС величиной 10ΔF. Этот ЦВС может вводиться в ПСП непосредственно в момент ее чтения, при этом чтение начинается с ячейки памяти, номер которой равен указанному двоичному коду.
Отличием данной операции от аналогичной операции прототипа является допустимость одновременной реализации введения n ЦВС, каждый из которых соответствует  битам блока, в соответствующую этому блоку ПСП, чем и достигается технический эффект, соответствующий цели изобретения.
Операция 3 перемножения ПСП реализуется над результатами выполнения операции 2 путем перемножения всех n ПСП с введенными в них ЦВС. По указанной операцией понимается перемножение векторное, т.е. формирование массива временных отчетов, каждый i-й из которых сформирован как результат перемножения i-x временных отсчетов всех n ПСП.
Операция 4 фазовой манипуляции реализуется над результатами выполнения операции 3 и предусматривает умножение временной реализации, сформированной в результате выполнения этой операции 3 на тональный сигнал несущей частоты. В итоге выполнения операции 4 сформирован очередной (текущий) передаваемый ШПС (последовательность ШПС). Поясним, что один указанный ШПС несет информацию одного фрагмента передаваемого сообщения.
Операция 5 передачи ШПС реализуется над результатами выполнения операции 4 полностью аналогично соответствующей операции прототипа.
Операция 6 преобразования принимаемых сигналов в электрические реализуется полностью аналогично соответствующей операции прототипа.
Операции 7.1 … 7.Q вычисления корреляций принятого сигнала с Q≥2 опорными функциями реализуется над результатами выполнения операции 6 и выполняется, например, следующим образом. Предварительно (т.е. до начала использования способа по прямому назначению) осуществляется формирование Q опорных функций, каждая q-я из которых (при q=1 … Q) формируется, например, путем вычисления произведения n ПСП (так же, как вычислялось произведение n ПСП при выполнении операции 3). В отличие от вычисления произведения при выполнении операции 3, формирование совокупности опорных функций осуществляется при всех возможных сочетаниях введенных в них ЦВС. При количестве возможных альтернатив (вариантов) ЦВС, вводимого в каждую ПСП, равном , количество таких сочетаний ЦВС и, соответственно, количество опорных функций составляет . В итоге все опорные функции пронумерованы так, что номер (индекс) q каждой из них равен тому значению бинарного кода фрагмента сообщения, которому соответствует определенное сочетание ЦВС введенных в конкретные (пронумерованные) ПСП (т.е. в первую, вторую и т.д. ПСП введен ЦВС, соответствующий первым, вторым и т.д. блокам из  бит указанного кода - это правило относится также и к выполнению операции 2).
Процедура собственно вычисление каждой корреляции реализуется как расчет скалярного произведения между массивами временных отсчетов принятого сигнала и опорной функции (справка: скалярное произведение есть сумма произведений совпадающих по времени отсчетов в данном случае принятого сигнала и опорной функции).
q
В итоге выполнения совокупности операций 7.1 … 7.Q (при приеме одного (каждого) фрагмента передаваемого сообщения) сформированы Q чисел, обозначенных далее как S (при q=1 … Q).
q
qmax
Операция 8 определения номера той опорной функции, корреляция с которой принятого сигнала максимальна, выполняется над результатами выполнения операций 7.1 … 7.Q в соответствии с ее названием, а именно путем (например, попарного) сравнения всех S чисел определяется максимальное из них S и фиксируется его индекс qmax;
Операция 9 определения комбинации бит принятого фрагмента сообщения реализуется на основе определенного в результате выполнения операции 8 индекса qmax. Соответствие между каждым значением индекса q и кодовой комбинацией бит принятого фрагмента устанавливается на основе записи этого индекса, например, в двоичной системе счисления (вариант двоичной системы единственно возможным не является, но представляется предпочтительным). Т.е. номер qmax, записанный в двоичной системе счисления и есть комбинации бит принятого фрагмента.
При таком выполнении совокупности операций 8 и 9 все  бит передаваемого фрагмента определяются своего рода «одним движением», а не итерационно и последовательно группами, как это было в прототипе.
Возможен и эквивалентный вариант реализации заявляемого способа, при котором вместо операций 7.1 … 7.Q, предусматривающих вычисление корреляций, реализуется совокупность операций, завершающихся n операциями вычисления циклической корреляционной функции.
Заявляемый способ рассчитан на использование в синхронной системе связи. В такой системе на приемном конце известны моменты начала прихода каждого информационного блока (сигнала или символа). Принципиально возможен, например, вариант работы передатчика и приемника в системе единого времени. При этом синхронизация работы устройств, реализующих операции обработки сигналов на приемном конце, осуществляется за счет того, что время распространения сигнала от передатчика до приемника известно, а в состав аппаратуры, реализующей операции приема, входит таймер, выдающий сигнал синхронизации, управляющий выполнением всех реализуемых при приеме операций (кроме операции 6 преобразования принимаемых сигналов в электрические) в момент начал прихода очередного фрагмента передаваемого потока. Операции синхронизации в состав заявляемого объекта не включены, поскольку подавляющее большинство систем цифровой (дискретной) связи являются синхронными, а особенности заявляемого объекта с какой-либо спецификой совокупности указанных операций не связаны.
Все операции заявляемого объекта, кроме операций 5 и частично 6, реализуются программируемыми средствами цифровой обработки сигналов.
О достижении технического эффекта в заявляемом способе (обеспечение возможности распараллеливания операции введения ЦВС в несколько ПСП и одномоментное определение всех бит принимаемого фрагмента сообщения) сказано выше при описании операций 2 (в части возможности одновременной реализации введения ЦВС в несколько ПСП) и 9 (в части возможности одновременного определения всех бит фрагмента сообщения). Следует заметить, указанные два по сути разных технических эффекта достигаются единым техническим решением, в основе которого лежит реализация операции многократного введения ЦВС в результирующую ПСП путем параллельно и независимо реализуемого введения ЦВС в каждую заранее заданную (исходную) ПСП с последующим перемножением полученных ПСП.
Литература
1. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь. 1985. 384 с., ил.
2. Николаев Р.П., Попов А.Р. Способ передачи информации в системе связи с шумоподобными сигналами. Патент РФ №2286017.
3. Кранц В.З., Сечин В.В. Использование информационных символов для синхронизации системы связи со сложными сигналами // Гидроакустика. Вып. №15, 2012. С. 36-41.
4. Голубев А.Г. «Способ передачи информации в системе связи с шумоподобными сигналами». Патент РФ №Патент №2635552.